Laboratorio de Mecánica de Materiales Departamento de Ingeniería Electromecánica

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PRÁCTICA 1

“PRUEBA DE TENSIÓN EN LA MÁQUINA

UNIVERSAL”

OBJETIVO

El alumno conocerá la operación de la máquina universal realizando ensayos de tensión bajo la norma ASTM E8, obtendrá experimentalmente el módulo de elasticidad, esfuerzo de cedencia y esfuerzo último de probetas estandarizadas de diversos materiales; así mismo comparará sus resultados con los publicados en manuales y libros de texto.

FUNDAMENTOS

La caracterización de los materiales atendiendo a sus propiedades mecánicas es de suma importancia en el diseño, ya que nos permite elegir el material correcto según la función y esfuerzos a los que estará sometido. Para que dichas propiedades se puedan comparar convenientemente es necesario que el tamaño de las probetas, así como la forma en que se aplique la carga, estén estandarizadas. Es así como surgen distintas organizaciones para establecer dicha uniformidad; este es el caso de la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM), la Sociedad Americana de Normas (ASA) y el Departamento Nacional de Normas (NBS), por mencionar sólo algunos. En la práctica realizaremos una prueba de tensión, la que proporciona información

sobre el esfuerzo y la ductilidad de los materiales: esta información puede ser

utilizada para comparar materiales, mejorar aleaciones, control de calidad en los

materiales y diseñar bajo ciertas circunstancias. Para la prueba aplicaremos una

carga en dirección del eje axial de una probeta cilíndrica (estandarizada según

norma ASTM E8) utilizando la máquina universal. La prueba de tensión estática

tiene como finalidad determinar la curva esfuerzo- deformación de un material en el

que se identifiquen el límite de proporcionalidad (punto A Fig.1), esfuerzo de fluencia

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(punto B Fig.1), esfuerzo último (punto D Fig.1) y el esfuerzo de ruptura nominal

(punto E Fig.1) o también el esfuerzo de ruptura real (punto E´ de la Fig.1). Sin

olvidar que la pendiente de la curva en la zona elástica define el módulo de

elasticidad del material.

También podemos mediante esta prueba obtener el grado de ductilidad que presenta un material si calculamos los porcentajes de elongación o el de reducción de área. La relación lineal que existe entre la deformación unitaria y el esfuerzo dentro de la zona elástica fue enunciado en 1678 por Robert Hooke. Posteriormente Thomas Young en 1807 introduce la expresión matemática que define esta relación agregándole la constante de proporcionalidad conocida como módulo de elasticidad o de Young. Esta expresión es conocida como la ley de Hooke, que para fines de aplicación sólo es válida cuando:

La carga aplicada sea axial La probeta sea homogénea y de sección constante El esfuerzo no sobrepase el límite de proporcionalidad

Figura 1.- Diagrama esfuerzo-deformación unitaria de una prueba de tensión.

El esfuerzo normal (Ec.1) está definido como la fuerza por unidad de área; la deformación unitaria como el incremento de longitud sobre una longitud, calibrada bajo cierta carga (Ec.2); y el módulo elástico como la pendiente de la curva hasta el

proporcionalidad

esfuerzoúltimo

zonaelástica

plasticidadperfecta ofluencia

endurecimientopor

deformación

estricción

esfuerzode fluencia

límite de A

B C

D

E

E’fractura

proporcionalidad

esfuerzoúltimo

zonaelástica

plasticidadperfecta ofluencia

endurecimientopor

deformación

estricción

esfuerzode fluencia

límite de A

B C

D

E

E’fractura

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límite de proporcionalidad (Ec.3). Siguiendo estas definiciones podemos calcular el módulo de elasticidad de cualquier material si sabemos la deformación unitaria nominal y el área transversal a la dirección en que se aplica la carga axial mediante la ley de Hooke (Ec.4).

A

F (1)

00

0

ll

ll

(2)

12

12

E (3)

A

lFEE 0 (4)

El porcentaje de elongación y el de reducción de área se calculan mediante (Ec.5) y (Ec.6) respectivamente.

100%0

0

l

llElongación

f (5)

% Reducción de área 1000

0

A

AA f (6)

Para fines de cálculo al diseñar, el esfuerzo de cedencia (Y) aparente del material

es el valor utilizado en la práctica común, debido a la dificultad para determinar

exactamente el límite de proporcionalidad en la curva esfuerzo-deformación.

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Figura 2.- Método de corrimiento para determinar el esfuerzo de cedencia

aparente

El esfuerzo de cedencia aparente (Y) de un material (punto A Fig. 2) se determina

con el método de corrimiento, trazando una línea paralela a la curva en su zona

elástica a partir de un 0.002 (0.2 %) de deformación unitaria, como se muestra en

la Figura 2.

En materiales frágiles como el vidrio y los cerámicos, suele emplearse el esfuerzo

último (o de ruptura) para fines de diseño, dado que estos no desarrollan

deformación plástica.

En diseño, el objetivo general para el producto es resistir esos esfuerzos sin un cambio significativo en su geometría. En manufactura, el objetivo es diametralmente lo opuesto; aquí se necesitan aplicar esfuerzos que excedan la resistencia a la fluencia del material a fin de alterar su forma.

A

0.002 corrimiento

0

A

0.002 corrimiento

0

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MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR

Máquina Universal UNITED

Probetas estandarizadas de acero y aluminio

Medidor Vernier

Extensómetro mecánico

Norma ASTM E8

DATOS PUBLICADOS EN MANUALES:

ALUMINIO 6061 ACERO AL CARBONO

E= 69 GPa

Y= 276 MPa

UTS= 310 Mpa

E= 206.8 GPa

Y= Investigar en Manuales

UTS= Investigar en

Manuales

ANOTACIONES

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CÁLCULOS

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1. Completar las tablas correspondientes, con los resultados teóricos y

experimentales, así como el error entre los datos obtenidos y los publicados en el

manual de referencia. Responder en las unidades que se indican. (Discusión de

resultados)

RESULTADOS

Material: Acero 1018

Pre

carg

a

A

Experimentales Publicados en

manuales

Err

or

%

Err

or

%

E

UTS

% E

longaci

ón

% R

educc

ión d

e á

rea

E

U

TS

Kg

cm/c

m

cm2

Kg/

cm2

Kg/

cm2

Kg/

cm2

Kg/

cm2

E UTS

500

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Material: Aluminio 6061

Pre

carg

a

A

Experimentales Publicados en

manuales

Err

or

%

Err

or

%

Err

or

%

E

YP

U

TS

% E

longaci

ón

% R

educc

ión d

e á

rea

E

YP

U

TS

Kg

cm/c

m

cm2

Kg/

cm2

Kg/

cm2

Kg/

cm2

Kg/

cm2

Kg/

cm2

Kg/

cm2

E YP UTS

300

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PREGUNTAS

1. ¿Cuál es el esfuerzo de cedencia publicado en manuales para el acero

utilizado en la prueba experimental? Justifique su respuesta y agregue referencia

consultada.

2. ¿Cuál es la diferencia entre la gráfica esfuerzo-deformación de un material

completamente frágil, la de un material poco dúctil y la de un material más dúctil?

Dibuje las tres gráficas.

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3. Explique por qué es importante conocer el esfuerzo de cedencia de un

material.

4. ¿Qué tipo de curva observó en la práctica para cada uno de los materiales

ensayados (real o ingenieril)? ¿Cuál es la diferencia entre los dos tipos de curva?

CONCLUSIONES Y COMENTARIOS