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• Diego Quinchia

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Experiencia 3: ENSAYO DE TRACCION EN METALES

Integrantes Andrea Carolina Zapata Caro - T00059469 María Cristina Salcedo Ruiz - T00052098 Heidy Pérez Marimon - T00050475 Daniel Machacón Blanquicett - T00055559 Mack Montes - T00056965

DOCENTE: Walberto Marrugo

MATERIALES DE INGENIERÍA

GRUPO: J1

Cartagena de indias D.T y C. 2019

INTRODUCCION En el presente informe se presentara el ensayo de tracción el cual “consiste en aplicar una fuerza sobre una probeta en dirección axial en esfuerzo de tracción creciente. Hasta su rotura con el fin de determinar sus características mecánicas”. [1] En el ensayo de tracción se analizara el comportamiento de materiales metálicos sometidos a un esfuerzo uniaxial, las probetas utilizadas una de aluminio (6061) y la otra de acero (1045), se le realizara el ensayo de fuerza de tracción, es decir que se le estará aplicando una fuerza a dichas probetas con la ayuda de la maquina universal de ensayo, lo que hará es aplicar una carga uniaxial gradualmente creciente (estática), la maquina aplicara más y más fuerza sobre las probetas hasta conseguir que está presente una falla y se fracture. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Analizar el comportamiento de diversos materiales metálicos al ser sometidos a un esfuerzo de tensión uniaxial. OBJETIVOS ESPECIFICOS -

Calcular la resistencia a la tracción de cada uno de los materiales ensayados Determinar el esfuerzo y la deformación que presentaron las probetas Examinar la fractura o falla que presentaron ambos materiales Reconocer las propiedades de los materiales sometidos a ensayos de tracción

MARCO TEORICO El ensayo se realiza en una Máquina Universal (Imagen 1) y la operación consiste en someter una probeta (Imagen 2) a una carga monoaxial gradualmente creciente (es decir, estática) hasta que ocurra la falla. Las probetas para ensayos de tensión se fabrican en una variedad de formas. La sección transversal de la probeta puede ser redonda, cuadrada o rectangular. Para la mayoría de los casos, en metales, se utiliza comúnmente una probeta de sección redonda. Para láminas y placas usualmente se emplea una probeta plana.

Imagen 1. Maquina universal de ensayos

Imagen 2. Probeta para ensayo de tracción

La transición del extremo a la sección reducida debe hacerse por medio de un bisel adecuado para reducir la concentración de esfuerzos causados por el cambio brusco de sección. El esfuerzo axial 𝜎 en el espécimen de prueba (probeta) se calcula dividiendo la carga P entre el área de la sección transversal (A): 𝜎=

𝑃 𝐴

Cuando en este cálculo se emplea el área inicial de la probeta, el esfuerzo resultante se denomina esfuerzo nominal (esfuerzo convencional o esfuerzo de ingeniería). Se puede calcular un valor más exacto del esfuerzo axial, conocido como esfuerzo real.

La deformación unitaria axial media se determina a partir del alargamiento medido “𝜎“entre las marcas de calibración, al dividir 𝜎 entre la longitud calibrada Lo. Si se emplea la longitud calibrada inicial se obtiene la deformación unitaria nominal (𝜀). 𝜀=

𝛿 𝐿𝑜

Después de realizar una prueba de tensión y de establecer el esfuerzo y la deformación para varias magnitudes de la carga, se puede trazar un diagrama de esfuerzo contra deformación. Tal diagrama es característico del material y proporciona información importante acerca de las propiedades mecánicas y el comportamiento típico del material. La relación lineal entre el esfuerzo y la deformación puede expresarse mediante la ecuación 𝜎 = E𝜀, donde E es una constante de proporcionalidad conocida como el módulo de elasticidad del material. El módulo de elasticidad es la pendiente del diagrama esfuerzo-deformación en la región linealmente elástica y su valor depende del material particular que se utilice. La ecuación 𝜎 = E𝜀 se conoce comúnmente como ley de Hooke. La elongación porcentual se define como sigue: 𝐸𝑙𝑜𝑛𝑔𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 =

𝐿𝑓 − 𝐿𝑜 × (100) 𝐿𝑜

Donde Lo es la longitud calibrada original y Lf es la distancia entre las marcas de calibración al ocurrir la fractura. La reducción porcentual de área mide el valor de la estricción que se presenta y se define como sigue: 𝑅𝐴 =

𝐴𝑜 − 𝐴𝑓 × (100) 𝐴𝑜

Donde Ao es el área original de la sección transversal y Af es el área final en la sección de la fractura. Los materiales que fallan en tensión a valores relativamente bajos de deformación unitaria se clasifican como materiales frágiles. En este ensayo las propiedades usualmente determinadas son: La resistencia a la cedencia (punto de cedencia), la resistencia a la tensión, la ductilidad (El alargamiento y la reducción de área), el módulo de elasticidad y el tipo de fractura.

MATERIALES - Máquina Universal (Imagen 1). - Aditamentos para el ensayo de tracción. - Calibrador - Marcador de trazo fino - Probetas metálicas de acero 1045 y aluminio 6061 PROCEDIMIENTO 1. Prepare la máquina para ensayos a tracción (Imagen 3). Encienda y espere 15 minutos hasta su calentamiento normal.

Imagen 3. Maquina universal de ensayos

2. Tome las dimensiones necesarias de las probetas a ensayar según tabla1.1. Haga marcas en la zona de trabajo de la probeta, precisando L0 (longitud calibrada).

Imagen 4. Imagen 4 y 5. Toma de medida de las probetas

Imagen 5.

3. Monte la probeta en las mordazas de la máquina, con el apoyo del auxiliar del laboratorio.

Imagen 6. Montaje de la probeta

4. Ajuste en cero el sistema en carga y deformación 5. Programe el ensayo automático utilizando el software del equipo 6. Inicie el ensayo con aplicación lenta y gradual de la carga hasta que se presente la rotura.

Imagen 7. Ensayo de tracción

7. Observe durante el ensayo el indicador instantáneo de carga y trate de apreciar si existe fluencia física, con la detección o reducción de la rapidez de cambio de la carga en un corto período de tiempo. Anote el valor de fuerza observado

8. Una vez rota la probeta y extraída de las mordazas, enfrente las partes rotas y determine Lf y el diámetro final en la zona de rotura df (para obtener Af). Complete los datos de la tabla 1 9. Coloque una nueva probeta en la máquina y repita el ensayo. ACTIVIDADES A REALIZAR ¿Influye la temperatura en los resultados de las pruebas de tracción? Explique Si, ya que los aspectos más importantes en el comportamiento mecánico de los materiales que son: la ductilidad y la resistencia mecánica, ambas propiedades son dependientes de la temperatura. Tanto así que al incrementarse la temperatura se produce generación de nuevos sistemas de deslizamiento y la operación de otros mecanismos de deformación. [2] ¿Cómo influye el % de carbono en las propiedades del acero? En la composición química de los aceros al carbono, además de hierro y carbono que generalmente no supera el 1%, hay otros elementos necesarios para su producción, como silicio y manganeso, y otros que se consideran impurezas por la dificultad de excluirlos totalmente –azufre, fósforo, oxígeno, hidrógeno. El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia mecánica y dureza, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. Por tanto, los de bajo C son relativamente blandos y poco resistentes pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad. [3] ¿Qué clase de fractura presentaron los materiales ensayados?

Presenta fractura dúctil Imagen 8. Fractura de Acero 1045

Presenta fractura dúctil Imagen 9. Fractura Aluminio 6061

CALCULOS Aluminio 6061 Área inicial: Se determina el área inicial de la probeta 𝜋 × (𝑑𝑜 )2 𝜋 × (12.5 𝑚𝑚)2 𝐴𝑜 = = 4 4 𝐴𝑜 = 122.71 𝑚𝑚2 Área Final: Se determina el área final de la probeta 𝜋 × (𝑑𝑓 )2 𝜋 × (8.2 𝑚𝑚)2 𝐴𝑓 = = 4 4 𝐴𝑓 = 52.81 𝑚𝑚2 % Elongación 𝐸𝑙𝑜𝑛𝑔𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 =

𝐿𝑓 − 𝐿𝑜 66 − 54.8 × 100 = × 100 𝐿𝑜 54.8

𝐸𝑙𝑜𝑔𝑎𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛 = 20.43 % Reducción

𝑅𝐴 =

𝐴𝑜 − 𝐴𝑓 122.71 − 52.81 × 100 = × 100 𝐴𝑜 122.71 𝑅𝐴 = 56.96 %

Módulo de Young 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑌𝑜𝑢𝑛𝑔 =

𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙

𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑌𝑜𝑢𝑛𝑔 =

11.925 𝑘𝑁 11925 𝑁 = 1.698 𝑚𝑚 2.26 𝑚𝑚2

𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑌𝑜𝑢𝑛𝑔 = 5276.54 𝑁⁄𝑚𝑚2 𝜎𝑓 Fluencia 𝜎𝑓 =

𝑃 24.825 𝑘𝑁 24825 𝑁 = = 𝐴 2.696 𝑚𝑚 5.70 𝑚𝑚2 𝜎𝑓 = 4355.26 𝑁⁄𝑚𝑚2

𝜎𝑀𝐴𝑋 Máximo 𝜎𝑀𝐴𝑋 =

𝑃 42.8625 𝑘𝑁 42862.5 𝑁 = = 𝐴 7.898 𝑚𝑚 48.99 𝑚𝑚2 𝜎𝑀𝐴𝑋 = 874.92 𝑁⁄𝑚𝑚2

𝜎𝜇 Rotura 𝜎𝜇 =

𝑃 29.55 𝑘𝑁 29550 𝑁 = = 𝐴 12.554 𝑚𝑚 123.78 𝑚𝑚2 𝜎𝜇 = 238.73 𝑁⁄𝑚𝑚2

Imagen 10. Grafica de Esfuerzo vs Deformación Aluminio 6061

Acero 1045 Área inicial: Se determina el área inicial de la probeta 𝜋 × (𝑑𝑜 )2 𝜋 × (12.2 𝑚𝑚)2 𝐴𝑜 = = 4 4 𝐴𝑜 = 116.89 𝑚𝑚2 Área Final: Se determina el área final de la probeta 𝜋 × (𝑑𝑓 )2 𝜋 × (10 𝑚𝑚)2 𝐴𝑓 = = 4 4 𝐴𝑓 = 78.53 𝑚𝑚2 % Elongación 𝐸𝑙𝑜𝑛𝑔𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 =

𝐿𝑓 − 𝐿𝑜 62.6 − 57.6 × 100 = × 100 𝐿𝑜 57.6

𝐸𝑙𝑜𝑔𝑎𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛 = 8.68 % Reducción

𝑅𝐴 =

𝐴𝑜 − 𝐴𝑓 116.89 − 78.53 × 100 = × 100 𝐴𝑜 116.89 𝑅𝐴 = 32.81 %

Módulo de Young 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑌𝑜𝑢𝑛𝑔 =

𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙

𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑌𝑜𝑢𝑛𝑔 =

10.95 𝑘𝑁 10950 𝑁 = 1.346 𝑚𝑚 1.42 𝑚𝑚2

𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑌𝑜𝑢𝑛𝑔 = 7711.26 𝑁⁄𝑚𝑚2 𝜎𝑓 Fluencia 𝜎𝑓 =

𝑃 55.55 𝑘𝑁 55550 𝑁 = = 𝐴 3.394 𝑚𝑚 9.04 𝑚𝑚2 𝜎𝑓 = 6144.91 𝑁⁄𝑚𝑚2

𝜎𝑀𝐴𝑋 Máximo 𝜎𝑀𝐴𝑋 =

𝑃 105.18 𝑘𝑁 105780 𝑁 = = 𝐴 6.498 𝑚𝑚 33.16 𝑚𝑚2

𝜎𝑀𝐴𝑋 = 3189.98 𝑁⁄𝑚𝑚2 𝜎𝜇 Rotura 𝜎𝜇 =

𝑃 64.725 𝑘𝑁 64725 𝑁 = = 𝐴 10.346 𝑚𝑚 84.06 𝑚𝑚2 𝜎𝜇 = 769.98 𝑁⁄𝑚𝑚2

Imagen 11. Grafica Esfuerzo vs Deformación Acero 1045 Tabla 1. Datos Probetas

Material

Lo (mm) Lf (mm)

do (mm) df (mm)

Ao (𝑚𝑚2 )

Af (𝑚𝑚2 )

Aluminio 6061 Acero 1045

54.8 57.6

12.5 12.2

122.71 116.89

52.81 78.53

66 62.6

8.2 10

Tabla 2. Resultados

Material

Elongación %

Deformación %

E (𝑁/𝑚𝑚2 )

𝜎𝑓 (𝑁/𝑚𝑚2 )

𝜎𝑀𝐴𝑋 (𝑁/𝑚𝑚2 )

𝜎𝜇 (𝑁/𝑚𝑚2 )

Aluminio 6061 Acero 1045

20.43

56.96

5276.54

4355.26

874.92

238.73

8.69

32.81

7711.26

6144.91

3189.98

769.98

CONCLUSIONES Mediante el laboratorio pudimos analizar el comportamiento de dos materiales metálicos al ser sometidos a un esfuerzo de tensión uniaxial mediante el ensayo de tracción. Realizando esta prueba conocimos la resistencia de los materiales metálicos a un esfuerzo estático, en donde además de reconocerse la propiedad de los materiales utilizados, se determinó el esfuerzo ingenieril y la deformación que presentaron ambas probetas. Además también se examinó la factura o falla que sufrieron ambos materiales. BIBLIOGRAFIA Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Donal R. Askeland, México D.F. Thomson, Cuarta Edición. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Williams Smith, México D.F., Mc Graw Hill, Cuarta Edición. Metalurgia física. Estructura y Propiedades/ José A. Pero- Zanzelorz, 1992. Engineering Material. Properties and selection/ Kennet Budinski, 1992. Metalografía/ tomo I y II/ Guliaev A. P./ Moscú: Ed. Mir, 1978. Balvantín, A. (Agosto de 2016). Universidad de Guanajuato. Obtenido de Universidad de Guanajuato Web site: http://www.dicis.ugto.mx/profesores/balvantin/documentos/Ciencia%20de%20Mate riales%20para%20Ingenieria%20Mecanica/Unidad%20I%20%201.%20Ensayos%20y%20Propiedades%20de%20Materiales.pdf ROBERT, T. (2008). Universidad Nacional Autónoma de México. Obtenido de Universidad Nacional Autónoma de México Web site: http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Temperatura_5185.pdf Torres, F. (s.f.). Google Sites. Obtenido de Google Sites Web site: https://sites.google.com/site/conocerlosmateriales/home/proceso-de-fabricacionlos-aceros/caracteristicas-y-usos-de-los-aceros Imagen 1 tomada de: http://www.meldic.ec/index.php/area-industrial/maquinaspara-ensayo-de-materiales/m%C3%A1quina-universal-de-ensayos-wdw-200e-20000-kgf-detail