LABORATORIO ENSAYO DE TRACCION DE ACERO LISO DE 3/8 PULGADA DE DIAMETRO

OBJETIVO

Observar el comportamiento de acero bajo carga axial hasta la rotura.

Determinar propiedades mecánicas del acero ensayado.

Trazar su diagrama esfuerzo normal – deformación unitaria.

Determinar su módulo de elasticidad

FUNDAMENTO TEORICO

Este ensayo consiste en someter una varilla liso de acero, de sección uniforme y conocida, a una fuerza de tracción que va aumentando progresivamente. En forma simultánea se van midiendo los correspondientes alargamientos de la probeta. Con los resultados de la elongación de la probeta, se puede graficar una curva de carga contra alargamiento, que generalmente se registran como valores de esfuerzo y deformación unitarios, y son independientes de la geometría de la probeta.

TIPOS DE ACERO

Son los siguientes-Acero dulce: denominado generalmente para todos los aceros no aleados obtenidos en estado fundido- Acero de construcción: Con bajo contenido de carbono y adiciones de cromo, niquel, molibdeno y vanadio- Acero duro: Su resistencia a tracción es de 70 Kg/ mm2 y su alargamiento de un 15% su utilidad en la fabricación de herramientas de corte, armas, carriles, etc.- Aceros forjados: son los aceros que han sufrido una modificación en su forma y su estructura interna ante la acción de un trabajo mecánico realizado a temperaturas supriores.

Diagrama tensión –deformación

Uno de los ensayos mecánicos tensión-deformación más común es el realizado a tracción. El ensayo de tracción puede ser utilizado para determinar varias propiedades de los materiales y se realiza con la máquina Universal. La versatilidad del ensayo de tracción radica en el hecho de que permite medir al mismo tiempo, tanto la ductilidad, como la resistencia. El valor de resistencia es directamente utilizado en todo lo que se refiere al diseño. Los datos relativos a la ductilidad, proveen una buena medida de los límites hasta los cuales se puede llegar a deformar el acero Normalmente se deforma una probeta hasta

rotura, con una carga de tracción que aumenta gradualmente y que es aplicada úniaxialmente a lo largo del eje de la probeta.Al iniciarse el ensayo, el material se deforma elásticamente; esto significa que si la carga se elimina, la muestra recupera su longitud inicial. Se dice que el material sobrepasó su límite elástico cuando la carga es de magnitud suficiente para iniciar una deformación plástica, esto es, no recuperable. En otras palabras, el material no recupera su longitud inicial si se elimina la carga aplicada. El esfuerzo alcanza su máximo en el valor de resistencia máxima a la tensión. En este valor de esfuerzo, se forma en la probeta una estricción o cuello, la cual es una reducción localizada en el área de la sección transversal, en la que se concentra todo el alargamiento posterior. Una vez formado este cuello, el esfuerzo disminuye al aumentar la deformación y continúa disminuyendo hasta que la probeta se rompe.Existen diferentes normas para realizar el ensayo de tracción, DIN 53455, ISO/DP 527, ASTM Con los resultados de la elongación de la probeta, se puede graficar una curva de carga contra alargamiento, que generalmente se registran como valores de esfuerzo y deformación unitarios, y son independientes de la geometría de la probeta.Ahora, definiremos algunos conceptos necesarios para aplicar en el cálculo de esfuerzos de tracción:Alargamiento:(e) Referido a una magnitud medida L, se determinará mediante el cociente entre la longitud alargada (D l) y la medida inicial ( L).Límite de elasticidad: (s  E ) Es la tensión hasta la cual no se presentan deformaciones permanentesDuctilidad:La habilidad de un material de deformarse plásticamente antes de fracturarse, esta puede evaluarse en función de la elongación o reducción de área para la prueba de tensión.Zona Elástica:Es la zona donde se establece una correlación lineal o cuasi lineal entre las tensiones axiales σ y las deformaciones unitarias Є. El campo de tensiones en que se cumple la correlación lineal σ = E.Є es el campo elástico y es la base para el cálculo de elasticidad.Modulo de elasticidad (E):Es la constante que correlaciona la tensión y la deformación en el campo elástico E = Є/σ. Este modulo cuantifica las tensiones difícilmente medibles a partir de las deformaciones cuales pueden medirse sin excesiva dificultad.Coeficiente de Poisson: que cuantifica la razón entre el alargamiento longitudinal y la acortamiento de las longitudes transversales a la dirección de la fuerza.Limite de proporcionalidad:Es el esfuerzo máximo en que el esfuerzo y la deformación permanecen directamente proporcionales. El límite de proporcionalidad es el punto de la primera inflexión de la línea recta de la curva Esfuerzo Vs Deformación. El valor obtenido para el límite de proporcionalidad depende de la precisión de las mediciones de esfuerzo y linealidad y de la escala de la grafica. Este valor no tiene gran aplicación en los cálculos de ingeniería.Límite elástico convencional:El esfuerzo por conveniencia, al cual se considera que empieza la deformación plástica. Este esfuerzo puede especificarse en términos de (a) Una desviación especifica de una relación lineal Esfuerzo-Deformación (b) Una extensión total especifica o (c) un esfuerzo máximo o un mínimo medido durante una fluencia discontinua.Resistencia a la tracción:El máximo esfuerzo de tensión al cual el material es capaz de soportar en la prueba tensión-deformación en una probeta llevada a fractura.Punto de cedencia:Es una propiedad que tienen los aceros blandos no endurecidos y algunas otras aleaciones. Es una indicación del límite de la acción elástica. El punto de cedencia es un esfuerzo en el que se produce

primero un aumento notable de deformación, sin que haya un aumento de esfuerzo. Por lo general hay dos puntos de cedencia, uno superior y el otro inferior. En general, los materiales que presentan este comportamiento tienen una fluencia discontinua.Fluencia discontinua:Fluctuación de la fuerza observada al inicio de la deformación plástica debido a una deformación localizada. No necesariamente aparece como una línea discontinua.Esfuerzo de fluencia superior:El primer esfuerzo máximo (primer esfuerzo con pendiente igual a cero) asociado con una fluencia discontinua.Elongación del punto de fluencia:La deformación (expresada en porcentaje) medida desde el primer punto de pendiente cero en la grafica esfuerzo deformación hasta el esfuerzo de endurecimiento uniforme. Cubre todo los puntos de deformación discontinua.Tenacidad:Es la capacidad de un material para absorber energía hasta el punto de ruptura, y se determina midiendo el área que queda bajo la curva de esfuerzo deformación. Esto no es en realidad, una indicación exacta de la tenacidad, porque la muestra no se deforma uniformemente en toda su longitud, y por lo tanto, no absorbe energía e manera uniforme en todo su volumen. Las unidades de la tenacidad se encuentran multiplicando el esfuerzo por la deformación, dando las unidades (lb-in/in3) que es energía absorbida por unidad de volumen. Generalmente se utilizan otro tipo de ensayos más específicos para determinar la tenacidad de los materiales.Aspecto de fractura: Depende de la composición y el historial de la muestra(tratamientos mecánicos o térmicos). Los metales y las aleaciones dúctiles y aceros templados de bajo contenido de carbono sufren fractura de copa o fractura parcial de copa. En materiales duros o aceros de alto contenido de carbono y endurecidos por tratamientos térmicos tienden a producir una fractura tipo estrella. El hierro fundido, que carece de ductilidad no produce ensanchamiento en forma de cuello de botella y tiene una superficie de fractura que tiende a forma un plano en ángulos rectos a la dirección de la carga.Aplicación de carga y mediciones:Las cargas se aplican ya sea mecánica o hidráulicamente, se prefiere la ultima debido a sus capacidades mayores y bajos costos. Las cargas son realizadas por la Maquina Universal de Ensayos, se conoce así debido a que puede adaptarse para realizar adicionalmente ensayos de compresión, curvatura y flexión. En el caso de las hidráulicas, la carga se aplica mediante una bomba hidráulica que hace pasar el aceite a presión en un cilindro que eleva el pistón y este a su vez este eleva el cabezal móvil de tensión y la mesa. La muestra se ajusta con mordazas de diferentes tamaños según la forma de la probeta, que están ubicadas en el cabezal móvil y el cabezal fijo. El desplazamiento, la carga o la velocidad de la maquina se fijan inicialmente en el sistema, el cual le suministra los datos que controla dichos parámetros accionando válvulas de aproximación y precisión en el interior del equipo. Es necesario una alineación correcta de la probeta para asegurar que la muestra solo este sometida a cargas axiales y uniformes sobre la probeta.Mediciones de la deformación:La deformación se puede medir de forma mecánica, eléctrica, electromecánica u óptica. En este experimento se utiliza la forma mecánica basado en el troqué de los tornillos sin fin. La deformación es definida como el cambio en la longitud por unidad de longitud. Esta medida se calibra en el sistema y se reporta digitalmente. Adicionalmente se utilizan extensómetros, que son regletas de precisión que se adaptan directamente a la probeta.Estricción: Es la reducción de la sección que se produce en la zona de la rotura.Normalmente, el límite de proporcionalidad no suele determinarse ya que carece de interés para los cálculos. Tampoco se calcula el Módulo de Young, ya que éste es característico del material, así, todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes.

EQUIPO Y MATERIALES

Los materiales a ensayar para las propiedades mecánicas son. - Acero liso de diámetro 3/8”

Los equipos a utilizar son: - Prensa hidráulica con extensómetro de 100 toneladas- Vernier- Regla graduada

PROCEDIMIENTO DEL ENSAYOPara realizar el experimento primeramente se tomaron los datos del acero liso como la longitud inicial y el diámetro correspondiente.

Colocar la muestra en la prensa de forma que no exista posibilidad de desplazamiento e iniciar el ensayo con el registro constante de esfuerzo y deformación. Identificar los puntos correspondientes a la fuerza de fluencia y esfuerzo de rotura

Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su

comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción,

en donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra

móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. Un

esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la Figura.

Figura Máquina de

Ensayo de Tracción

La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad

seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga

aplicada, las máquinas poseen un plotter que grafica en un eje el desplazamiento y en el otro eje la carga

leída.

La Figura muestra el gráfico obtenido en una máquina de ensayo de tracción para un acero.

Curva Fuerza-Deformación de un Acero.

Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se comporta como

un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial.

Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple:

F = K (L - L0)

F: fuerza K: cte. del resorte

L: longitud bajo carga L0: longitud inicial

Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el

material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la

probeta quedaría más larga que al principio. Deja de ser válida nuestra fórmula F = K (L - L0) y se define

que ha comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elástica y la zona

plástica es el punto de fluencia (yield point) y la fuerza que lo produjo la designamos como:

F = Fyp (yield point)

Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un

máximo en F = Fmáx. Entre F = Fyp y F = Fmáx la probeta se alarga en forma permanente y repartida, a

lo largo de toda su longitud. En F = Fmáx la probeta muestra su punto débil, concentrando la

deformación en una zona en la cual se forma un cuello.

La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al adelgazarse

la probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando la ruptura.

La figura muestra la forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la

ruptura.

DATOS Y CALCULOS

Diámetro inicial = 1/2”= 1.27 cm Longitud inicial = 60 cmLímite de Alargamiento y rotura = 5600Kp Longitud final = 66 cmLímite de fluencia = 3750Kp

Datos obtenidos:

Carga que se necesita para alargamiento y rotura del acero = 3300Kp

Carga que se necesita para el límite de fluencia = 2500Kp

Diametro del acero lizo a ensayar = 3/8” 0.95cm

Modulo de elasticidad del acero a usar = 210 GPa

Longitud del acero antes del ensayo = 60 cm

Longitud del acero después de la rotura = 67.2 cm

Conversión de carga:

Carga de rotura=3300Kp

3300

kp∗4448.22N1kp

∗1kgf

9.81=1496343.119kgf

Carga de límite de fluencia = 2500Kp

2500

kp∗4448.22N1kp

∗1kgf

9.81=1133593.272kgf

Calculando primeramente el diámetro en cm

3/8 left ({0.0254 m} over {1¿¿¿( 100cm1m )→3 /8 =0.9525 c

Calculando el area tranversal del acero:

A=π4∗D2=π

4∗(0.9525cm)2=0.7126cm2

Convirtiendo el mudolu de elasticidad a kp/cm2

210000000000 Pa=210000000000Nm2 ∗( 1kp

9.81N )( 1m100cm )

2

210000000000 Pa=2.1 E6kp /cm2

Límite de rotura

σ rot=carga deroturasecciontransversal

σ rot=3300kp

0.7126 cm2=4630.9290kp/cm2

Límite de fluencia,

σ flu=2500 kp

0.7126 cm2=3508.2795kp /cm2

Deformación UnitariaDeformación Unitaria de rotura

ε=L f−LiLi

=67.2−6060

=0.12

Deformación Unitaria al 0.2%

ε 0.2%=0.002∗0.12=0.00024

Porcentaje de alargamiento:Lf−LiLi

×100 = 67.2−60

60×100=12 %

Ley de Hooke:Deformación de fluencia o zona elástica

δ flu=ε∗Li=0.12∗60cm=7.2cm

Deformación Total

δ tot=lf−li=67.2cm−60cm=7.2cm

Calculo de modulo de elasticidad del acero

E=σ fluε0.2%

=3508.2795[Kp /cm2]0.00024

=14617831.25[Kp /c m2]

Convirtiendo a [Kg /cm2]E=14617831.25 [Kp /cm2]

E=14617831.25

Kp

cm2∗4448.22N

1Kp∗1kg

9.81N

CONCLUCIONES

Se realizó el ensayo de tracción sobre una probeta de acero de ½” y se obtuvo los siguientes resultados

- Tensión de fluencia = 2952.756 (Kp/cm2)- Tensión de resistencia ultima = 4409.45 (Kp/cm2)- Alargamiento de rotura = 13.67%

En ingeniería se necesita saber cómo responden los materiales sólidos a fuerzas externas, como la

tensión, la compresión, la torsión, la flexión o la cizalladora. Los Materiales sólidos responden a

dichas fuerzas con una deformación elástica (En la que el material vuelve a su tamaño y forma

original cuando se elimina la fuerza externa), una deformación permanente o una fractura.

La práctica realizada para el acero fue exitosa al observar que el acero se fracturo por medio de la tensión realizada por la prensa hidráulica.

La elasticidad es una propiedad de un material que le hace recuperar su tamaño y forma original

después de ser comprimido o estirado por una fuerza externa. Y la plasticidad tiene la propiedad de no

recuperar su tamaño después de ser traccionado.

Cuando una fuerza externa actúa sobre un material causa un esfuerzo o tensión en el interior del

material que provoca la deformación del mismo.

En muchos materiales, entre ellos los metales y los minerales, la deformación es directamente

proporcional al esfuerzo.

RECOMENDACIONES

Una de las recomendaciones que podemos dar es que las muestras o probetas sean de buena calidad y

de un volumen adecuado y que se encuentren en un buen estado para así poder hacer una buena

práctica, tener una determinación del modulo de elasticidad errónea.

Para un resultado más aproximado un los ensayos de laboratorio se debe realizar a normas y

cantidades requeridas. La cual el ensayo solo es basado en una sola práctica.

Para cualquier ensayo tomar en cuenta la temperatura del medio ambiente factores de dilatación

BIBLIOGRAFIA

o Resistencia de Materiales (Andrew Pytel – Ferdinand L. Singer)

o Ensayos de tracción (www.labthink.cn/)

o Ensaye e Inspección de los Materiales de Ingeniería (Harmer E.Davis - George Earls

Troxell - Clement W. Winskocill)

ANEXOS

Fierro en el límite de fluencia Foto marcando el límite de fluencia

Papel milimetrado para marcar el Foto de la rotura del fierro Limite de alargamiento y rotura

Foto del fierro alargado Foto del fierro roto

ANEXOS