OBJETIVOS

Efectuar un ensayo de tensión de para estudiar el comportamiento de un material cuando es sometido a esfuerzos axiales de tensión progresivamente crecientes hasta provocar su ruptura.

Determinar las propiedades mecánicas del material con base en los datos obtenidos en el ensayo, y además conocer el equipo y herramientas necesarias para su realización.

INTRODUCCION

En la actualidad el uso de los diversos materiales para un sin fin de aplicaciones está presente día con día, y para su buena implementación es necesario conocer sus principales propiedades mecánicas y su comportamiento ante condiciones de carga y funcionamientos específicos.

Se denomina prueba de tensión al ensayo que permite conocer las características de un material cuando se somete a esfuerzos de tracción. Y los resultados se reflejan gráficamente en un diagrama esfuerzo-deformación unitaria. Los datos obtenidos en el ensayo deben ser suficientes para determinar esas propiedades, y otras que se pueden determinar con base en ellas. Por ejemplo, la ductilidad se puede obtener a partir del alargamiento y de la reducción de área.

En este laboratorio se analizan las propiedades mecánicas de una varilla corrugada de acero estructural “grado 60” mediante un ensayo de tensión, en el cual una probeta de este material previamente calibrada y medidos todos sus parámetros dimensionales, es colocado en una máquina de tensión y le es aplicada gradualmente una fuerza unidireccional provocándole una deformación también gradual que es registrada por un extensómetro, luego se sigue incrementando la carga hasta llevar la probeta hasta la rotura, luego se retiran las partes rotas y se procede a realizar otra vez todas las mediciones para verificar como han cambiado sus dimensiones, para luego proceder al análisis de resultados. En el ensayo de tensión, la probeta se somete a una fuerza de tensión gradualmente creciente (carga) en sentido longitudinal, las lecturas de fuerza se convertirán a esfuerzos y las de deformación a deformación técnica unitaria.

MARCO TEORICO

Dado que se si bien se puede seleccionar un material adecuado para un determinado componente en base a la información proporcionada en cartas técnicas o manuales, se debe conocer cómo se llegan a determinar los datos incluidos en estos documentos. Un ensayo de materiales comprende un conjunto de pruebas que permiten el estudio del comportamiento del

material a fin de determinar sus características para una posible utilización o comprobar o determinar la calidad de un material.

En el ensayo de tensión, la probeta se somete a una fuerza de tensión gradualmente creciente en sentido longitudinal.

IMPORTANCIA EN LA INGENIERIA

El diseño óptimo de una pieza involucra entre muchos factores la selección del material óptimo, el cálculo ajustado al servicio que prestara, y los procesos de fabricación correctos. Pero para poder seleccionar adecuadamente un material debe de conocerse muy bien sus propiedades con el fin de asegurarnos que este no falle mientras este presta un servicio o a determinadas condiciones de solicitación. Para ello nos valemos de una serie de ensayos que pueden ser aplicados al material que nos permitirán conocer cuáles son sus propiedades mecánicas como su módulo de elasticidad, grado de ductilidad, resistencia de fluencia, a la rotura; a la tensión, su tenacidad entre otros.

El ensayo efectuado se rige según la norma A-615/ A-615M de la ASTM (American Society for Testing and Materials) que controla la calidad de las barras de acero lisas y corrugadas para uso como refuerzos de concreto. El espécimen usado en el ensayo fue una barra de acero estructural corrugado grado “60”. Entre algunos puntos de nuestro interés, la norma exige que se cumplan ciertos requisitos en el material, entre los cuales tenemos:

El nivel mínimo para el límite de fluencia para una barra grado 60 debe ser de 60000 psi (420MPa)

La resistencia a la tracción mínima debe ser 620 MPa (90000psi) Para barras corrugadas el peso (masa) por unidad de longitud debe ser como mínimo el

94% del peso por unidad de longitud nominal. Para una deformación unitaria de 0.0035, el esfuerzo correspondiente deberá ser un

mínimo de 420 MPa (60000psi)

MATERIALES Y EQUIPO

Máquina para ensayo de tensión

Para realizar este ensayo se utiliza la maquina universal de ensayo Tinius Olsen super L Universal Esta cuenta con un dinamómetro que mide los esfuerzos desarrollados en los ensayos. También diversos mandos hidráulicos permiten modificar la presión del circuito de aceite, por el accionamiento de una bomba, obteniendo velocidades diversas o para realizar ensayos bajo distintas cargas

Pie de rey o Calibrador Vernier

El vernier permite la lectura precisa de una regla calibrada. La escala indicadora vernier tiene su punto cero coincidente con el cero de la escala principal. Su graduación está ligeramente

desfasada con respecto de la principal. La marca que mejor coincide en la escala vernier será la décima de la escala principal

Balanza granataria

Una Balanza granataria es un tipo de balanza utilizada para determinar o pesar la masa de objetos. Suelen tener capacidades de 2 ó 2,5 kg y medir con una precisión de hasta 0,1 ó 0,01 g. Este tipo de balanza es para comparar el peso del cuerpo a determinar, con otros cuerpos de peso conocido. Esto se logra ajustando unos pesos móviles hasta lograr el equilibrio de la misma.

Deformimetro

Instrumento con el cual se miden las unidades de deformación de la probeta a la hora de aplicar cargas en la misma, este instrumento es muy útil para obtener los datos que se utilizaran al momento de graficar el comportamiento del ensayo. El utilizado en el ensayo tiene una precisión de 0.001 centésimo de pulgada.

Cinta métrica

Una cinta métrica es un instrumento de medida que consiste en una cinta flexible graduada y se puede enrollar, haciendo que el transporte sea más fácil. También se puede medir líneas y superficies curvas

PROCEDIMIENTO

1. Tomar las dimensiones de la probeta

2. Marcar la longitud de calibración en la probeta.

3. Montar el extensómetro en la probeta.

4. Ubicar la probeta en la máquina de tensión.

5. Accionar la máquina

6. Aumentar gradualmente la carga y tomar lecturas de carga y deformación hasta el punto de fluencia. Anotar el valor de la carga de fluencia.

7. Se sigue con la toma de lecturas después de la carga de fluencia.

8. Cuando se logra ver el cuello en la probeta, retirar el extensómetro

9. Incrementar la carga hasta que la probeta se rompa. Anotar el valor de la carga máxima y de ruptura.

10. Retirar la probeta ensayada.

11. Proceder a unir las dos partes de la probeta y tomar las medidas de diámetro y longitud finales de la probeta ensayada en la zona de fractura.

12. Identificar el tipo de fractura.

Lo primero que se realizó en el ensayo fue la toma de datos iniciales de la probeta su dimensiones, midiendo su longitud total, el diámetro real tomando como referencia el centro y al final se toma el peso de la probeta.

Posteriormente a la toma de las dimensiones iniciales se procedió a definir el tramo que será sometido a tensión, marcando el centro de la probeta y luego midiendo 100 mm a cada lado del centro, sumando así un total de 200 mm que serán sometidos a tensión esperando en dicho tramo la fractura del material, luego colocamos un instrumento llamado tensiómetro con lo que medimos las unidades de deformación. Al tener lista la probeta se colocó en las mordazas de la maquina sujetando muy bien la misma para evitar un error que interrumpa la realización del ensayo.

Se definió tomar los valores de las cargas y deformaciones de la probeta cada 1000 kg f en los primeros instantes, al tener claro dicho procedimiento se inició con la aplicación de las cargar y a observar las deformaciones obtenidas. Luego de tener el cuadro de datos completo se quitó el

tensiómetro para evitar un daño en el mismo a la hora de la fractura y observar mejor las cargas importantes que se pretender obtener.

Al obtener los datos de las cargas se retiró la probeta fracturada de la máquina para observar los datos finales y obtener las conclusiones del ensayo. La se fracturo la probeta en el tramo esperado, la longitud final que se sometió a las cargar fue de 24.4 cm y un diámetro de 1.35 cm, y produciéndose una fractura del tipo irregular y fibrosa.

RESUMEN DE DATOS OBTENIDOS EN EL ENSAYO

TABLA # 1

DESCRIPCION Acero estructural grado 60DIAMETRO NOMINAL (pulg) ¾ (0.75 pulg)DIAMETRO REAL (pulg) 1.84 cm (0.724 pulg.)LONGITUD DE LA MUESTRA (cm) 60.4PESO DE LA MUESTRA (kg) 1.343PESO/METRO LINEAL (Kg/m) 2.220PESO/METRO LINEAL NOMINAL (Kg/m) 2.235% VARIACION DE PESO 1.5 %DIAMETRO INICIAL D0 (cm) 1.84DIAMETRO FINAL Df (cm) 1.35AREA NOMINAL (cm2) 2.85AREA EFECTIVA (cm2) 2.6590% VARIACION DE AREA 19.1 %% REDUCCION DE AREA 49.82 %LONGITUD INICIAL L0 (cm) 20.0LONGITUD FINAL LF (cm) 24.4% ELONGACION 22 %CARGA DE FLUENCIA (Kg) 12700ESFUERZO DE FLUENCIA (kg/cm2) 47776.23CARGA MAXIMA (Kg) 19000ESFUERZO ULTIMO (Kg/cm2) 7145.54ESFUERZO DE FLUENCIA (PSI) 67774.72ESFUERZO ULTIMO (PSI) 101631.76RANGO DE CARGA ----------------------TIPO DE FRACTURA Irregular y fibrosa

TABLA#2

Fuerza (Kgf)

Deformacion(x 0.001)

Fuerza(Newtons)

Deformacion (mm)

Deformación unitaria mm/mm)

Esfuerzo(MPa)

1 1000 1 9800 0.0254 0.000127 36.852 2000 3 19600 0.0762 0.000381 73.713 3000 4 29400 0.1016 0.000508 110.574 4000 5 39200 0.1270 0.000635 147.425 5000 7 49000 0.1778 0.000889 184.286 6000 8 58800 0.2032 0.001016 221.137 7000 9 68600 0.2286 0.001143 258.008 8000 11 78400 0.2794 0.001397 294.859 9000 12 88200 0.3048 0.001524 331.7010 10000 14 98000 0.3556 0.001778 368.5611 11000 15 107800 0.3810 0.001905 405.4212 12000 17 117600 0.4318 0.002159 442.2713 12700* 18 124460 0.4572 0.002286 468.0714 13000 87 127400 2.2098 0.011049 479.1315 14000 130 137200 3.3020 0.016510 515.9816 15000 184 147000 4.6736 0.023368 552.8417 16000 250 156800 6.3500 0.031750 589.6918 17000 287 166600 7.2898 0.036439 626.5519 18000 295 176400 7.4930 0.037465 663.4020 19000** ---------------- 186200 --------------- --------------- 700.2621 15000*** ---------------- 147000 --------------- --------------- 552.84

*Carga de fluencia, **Carga ultima, ***Carga de rotura.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.040

100

200

300

400

500

600

700

Grafico esfuerzo- deformacion unitaria

Deformacion Unitaria (mm/mm)

Esfu

ezo

(MPa

)

Grafica 1. Curva esfuerzo – deformación para acero grado 60

CALCULO DE LAS PROPIEDADES MECANICAS

ESFUERZO DE FLUENCIA y

Carga de fluencia: 12,700 Kg.F

FY=12,700kg .F∗9.8 N1KG

.F=124,460N

y =124,460N

265.9mm2 = 468.07.76 MPa (S.I)

Esfuerzo de fluencia (Kg/cm2):

Carga de fluencia/área: y = =

Esfuerzo de fluencia (PSI):

=

4776.23

67,926.72

6590.2

12700

2

2

2 lg1

4516.6

4536.0

123.4776

pu

cm

Kg

Lb

cm

Kg

MODULO DE ELASTICIDAD (E) :

De la ley de Hooke tenemos que: por lo que E = además sabemos que el módulo de elasticidad corresponde a la pendiente de la grafica

Entonces, tomando dos puntos de la gráfica, el primero y donde ocurre la fluencia tenemos:

E = 468.07¿106−36.85¿106(Pa)2.286¿10−3−1.27¿10−4

= 199.69Gpa≈200 GPa

RESISTENCIA DE ROTURA r

FR=15,000kg .F∗9.8=147,000N

r =147,000N

265.9mm2 = 552.84 MPa (S.I.)

RESISTENCIA ULTIMA DE TENSION ut (esfuerzo ultimo)

Carga máxima: 19,000 KgF

Esfuerzo ultimo (Kg/cm2): Carga máxima/ área =

190002 .659 =

FR=19,000kg .F∗9.8=186,200N

ut =186220N

265.9mm2 = 700.26 MPa (S.I)

Esfuerzo último (PSI):

7145 .54Kgcm2

× 1 Lb0 .4536Kg

×6 .4516cm2

1 pu lg2 = PORCENTAJE DE ELONGACION % E

Longitud inicial L0 (cm): 20

Longitud final Lf (cm): 24.4

7,145.54

101,631.76

% De elongación: %E = % = % =

PORCENTAJE DE REDUCCION DE AREA % RA

%RA =

A0−A fA0

×100% =

2.85−1.432 .85

×100% =

COEFICIENTE DE POISSON

Con los datos obtenidos de la elongación y la reducción de área podemos calcular el coeficiente de Poisson, que es la deformación relativa de las dimensiones longitudinal y transversal; deformación axialdeformacion lateral

2249.82

MODULO DE CORTE G

Mediante la relación G= E

2(1+v )calculamos el módulo de cortante

G = 200GPa2(1+0.44)

= 69.44 GPa

MODULO DE RESILENCIAEs la energía de deformación por unidad de volumen, puede definirse como la capacidad de almacenar energía almacenada en el tramo elástico esto es hasta el límite de proporcionalidad, como en muchos casos el límite de proporcionalidad coincide con el de fluencia, tomamos el esfuerzo de fluencia y tenemos:

U r= y

2

2 E =

(468.07∗106N /m2)2

2(200∗109N /m2) = 547. 56 Kj/m3

CALCULOS REALIZADOS.

% Variacion de peso (masa) = (peso/long. Nominal- peso/long. Muestra)*100%

22.0%

49.82%

1000

0

L

LL f100

20

204.24

= (2.235-2.22)*100% = 1.5%%Variacion de área = ( Anom.-Amuestra)*100 % = (2.85-2.659)*100% = 19.1 %Areas:

Diámetro inicial D0 : 1.84 cm (real) Diámetro inicial nominal D : ¾”(1.905 cm) Diámetro final Df: 1.35 cm

Área nominal :

π (1 .905cm)2

4 =

Área efectiva (real) :

π (1 .84cm )2

4 =

CÁLCULOS DE LAS PROPIEDADES DEL MATERIAL A PARTIR DE LA INFORMACIÓN DE CLASE Y EN EL LABORATORIO PARA LOS ARCHIVOS ADICIONALES PROPORCIONADOS POR LA CATEDRA.

Gráfica2: Curva esfuerzo – deformación para acero

2.85 cm2

2.659 cm2

Gráfica3.Curva promedio esfuerzo – deformación para acero

La gráfica del Acero, con un diámetro inicial de 19 mm, al someterlo al ensayo de tensión y valiéndose de deformímetros electrónicos para el registro más preciso de los datos proporcionados y trabajando con dos canales, muestra un comportamiento de esfuerzo- deformación detallado en las gráficas identificando cada una de las zonas que se detallaron anteriormente.

Arrojando resultados promedios de esfuerzo de fluencia y esfuerzo ultimo:

σ FLUENCIA=366953,9944KPA=366.9539944MPA

σ ULTIMO=σMAXIMO=520561,0028KPA=520.5610028MPA

COMPARACIÓN DE RESULTADOS OBTENIDOS

Por los conocimientos teóricos y teniendo en cuenta que es de acero la probeta utilizada en ambos ensayos de tensión analizados podríamos esperar resultados bastante similares, sin embargo tenemos que considerar factores como : el grado de dureza (expresado en porcentaje de carbono) de ambas probetas es diferente, el diámetro inicial en cada probeta es distinto (D=0.0184 m y D= 0.019 m) , sin duda alguna la velocidad de aplicación carga para cada ensayo fue diferente así como la técnica de recolección de datos (en el caso del ensayo realizado por la catedra se realizó una lectura de datos con un deformímetro electrónico lo cual aseguraba una toma precisa y con un margen de error casi nulo, en cambio la toma de datos realizada por los estudiantes fue realizada a través de un deformímetro graduado debido a la rapidez con que se manejaban los datos el nivel de varianza es mayor); estos fueron factores determinantes en la diferencia de resultados entre cada ensayo.

Del grafico 1 obtenido se pueden determinar propiedades fundamentales del acero, la dispersión entre estos datos y los encontrados en tablas puede deberse al tipo de ensayo. Para el grafico 2 tenemos la tendencia ideal del acero, es decir los datos obtenidos pueden ser archivados en tablas de propiedades de materiales que servirán como referencia.

CONCLUSIONES

La dispersión entre los resultados de cada ensayo se atribuyen a factores cómo: diferencias entre dimensiones de las probetas utilizadas, grados de dureza así como las condiciones y métodos utilizados en la toma de datos. Siendo tal vez el factor más importante el ultimo

mencionado ya que en un ensayo en el cual se utilizan instrumentos electrónicos, el registro de datos es más preciso debido a que están diseñados para captar los más mínimos cambios en las dimensiones causados por las aplicaciones de carga, en cambio en aquellos ensayos que se utilizan instrumentos menos avanzados (ensayos clásicos) los datos registrados, y por lo tanto la determinación de las propiedades del material, están propensos a sufrir variaciones considerables debido a errores de calibración o fallas humanas en las lecturas de los instrumentos.

Con los datos obtenidos podemos decir que este acero cumple con la norma ASTM A615 que es la especificación estándar para barras corrugadas y lisas de acero al carbón para concreto reforzado. Las barras tienen cuatro niveles mínimos de límite de fluencia: a saber, 40000(psi) [280 MPa], 60 000 [420 MPa], 75 000 psi [520 MPa], y 80 000 [550 MPa], designadas normalmente en tres grados de resistencia que son: Grado 40 [280], Grado 60 [420], Grado 75 [520], y Grado 80 [550], respectivamente. Las barras de refuerzo manufacturadas de acuerdo con la especificación ASTM A 615 son las de mayor uso en las construcciones que utilizan concreto reforzado.

BIBLIOGRAFÍA

• Mecánica de Materiales, Beer, Johnston, Dewolf, MacGraw Hill 5° edición.

• Normas ASTM http://www.astm.org/Standards/A615A615M-SP.htm

• Ciencia e Ingeniería de los Materiales 3ra Ed. Donald R. Askeland