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ENSAYO DE DUREZA
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1. OBJETIVOS:
Analizar el comportamiento de los diversos materiales metálicos al ser sometidos a un
esfuerzo de tensión uni axial.
Estudiar las curvas que se obtienen mediante el esfuerzo aplicado (tracción) vs la
deformación unitaria (alargamiento) de las distintas probetas a utilizar como son: el
aluminio, el cobre, el bronce, el acero SAE(10,45) y el acero SAE(10,20)
Analizar del porque el esfuerzo de ingeniería es ligeramente mayor que el esfuerzo real.
Conocer los efectos producidos en un determinado material al ser sometido a una carga,
mediante su gráfica Esfuerzo vs. Deformación.
Entender la importancia del “ensayo de tracción” para la selección de los diferentes tipos
materiales con el fin de obtener así un mejor rendimiento del trabajo a realizar.
Conocer los conceptos teóricos y prácticos que nos permitan determinar las propiedades
que poseen los distintos materiales.
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2. FUNDAMENTO TEÓRICO:
2.1. ENSAYO DE TRACCIÓN:
El ensayo de tracción es uno de los ensayos más empleados, ya que consiste en someter a una
probeta normalizada a esfuerzos progresivos y crecientes de tracción, hasta que en ella se
produzca una deformación y una ruptura correspondiente.
El ensayo de tracción se utiliza para evaluar la resistencia de metales y aleaciones. En este
ensayo, una muestra de metal se estira a velocidad constante hasta que se produzca la
ruptura el cual se obtiene en un tiempo relativamente corto.
En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los materiales
elásticos, tales como:
A. MÓDULO DE ELASTICIDAD O MÓDULO DE YOUNG:
Es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un
material elástico, según la dirección en la que se aplica una
fuerza. Para un material elástico lineal e isotrópico, el modulo de
Young tiene el mismo valor para una tracción que para una
compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo
siempre que no exceda de un valor máximo denominado limite
elástico, y es siempre mayor que cero: si se tracciona una
barra, aumenta de longitud, no disminuye. Este
comportamiento fue observado y estudiado por el científico
inglés Thomas Young.
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Diagrama tensión-deformación: el módulo de Young es tangente en cada punto. Para materiales como el acero resulta aproximadamente constante dentro del límite elástico.
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Tanto el módulo de Young como el límite elástico son distintos para los diversos materiales. El
módulo de elasticidad es una constante elástica que, al igual que el límite elástico, puede
encontrarse empíricamente con base al ensayo de tracción del material.
Además de éste módulo de elasticidad longitudinal puede definirse en un material el modulo
de elasticidad transversal.
MATERIALES ISÓTROPOS:
Materiales lineales:
Como se ha explicado para un material elástico lineal el módulo de elasticidad longitudinal es
una constante (para valores de tensión dentro del rango de reversibilidad completa de
deformaciones). En este caso su valor se define mediante el coeficiente de la tensión y de la
deformación que aparecen en una barra recta estirada que esté fabricada en el material para
el cual pretendemos estimar el módulo de elasticidad:
Donde:
E: es el módulo de elasticidad longitudinal.
σ: es la presión ejercida sobre el área de sección transversal del objeto.
ε: es la deformación unitaria en cualquier punto de la barra.
La ecuación anterior se puede expresar también como:
Por lo que dadas dos barras o prismas mecánicos geométricamente idénticos pero de
materiales elásticos diferentes, al someter a ambas barras a deformaciones idénticas, se
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inducirán mayores tensiones cuanto mayor sea el módulo de elasticidad. De modo análogo,
tenemos que sometidas a la misma fuerza, la ecuación anterior rescrita como:
Nos dice que las deformaciones resultan menores para la barra con mayor módulo de
elasticidad. En este caso, se dice que el material es más rígido.
Materiales no lineales:
Cuando se consideran ciertos materiales, como por ejemplo el cobre, donde la curva de
tensión-deformación no tiene ningún tramo lineal, aparece una dificultad ya que no puede
usarse la expresión anterior. Para ese tipo de materiales no lineales pueden definirse
magnitudes asimilables al módulo de Young de los materiales lineales, ya que la tensión de
estiramiento y la deformación obtenida no son directamente proporcionales.
Para estos materiales elásticos no-lineales se define algún tipo de módulo de Young aparente.
La posibilidad más común para hacer esto es definir el módulo de elasticidad secante medio,
como el incremento de esfuerzo aplicado a un material y el cambio correspondiente a la
deformación unitaria que experimenta en la dirección de aplicación del esfuerzo:
Donde:
Esec: es el módulo de elasticidad secante.
Δσ: es la variación del esfuerzo aplicado
Δε: es la variación de la deformación unitaria
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La otra posibilidad es definir el módulo de elasticidad tangente:
B. LIMITE DE FLUENCIA:
El límite de fluencia es la zona máxima en la cual el módulo de
Young es constante. También es la zona límite a partir de la cual el
material se deforma plásticamente.
También denominado límite elástico aparente, indica la tensión
que soporta una probeta del ensayo de tracción en el momento de
producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia. Este fenómeno tiene lugar en la zona de
transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido
incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.
Fluencia:
La fluencia o cedencia es la deformación brusca de la probeta sin
incremento de la carga aplicada que se puede llegar a producir en el
ensayo de tracción (algunos materiales no experimentan fluencia). El
fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de
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aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, proceso
mediante el cual el material se deforma plásticamente.
Alcanzado el límite de fluencia se llegan a liberar las dislocaciones, produciéndose una brusca
deformación. La deformación en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de
la probeta pero concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones
(bandas de Luders). No todos los materiales presentan este fenómeno en cuyo caso la
transición entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia de forma clara.
Se aprecia gráficamente en la curva tensión-deformación obtenida tras el ensayo de tracción:
el periodo de fluencia en la zona 2.
C. LIMITE ELÁSTICO:
El límite elástico, también denominado límite de elasticidad, es la tensión máxima que un
material elástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. Si se aplican
tensiones superiores a este límite, el material experimenta deformaciones permanentes y no
recupera su forma original al retirar las cargas. En general, un material sometido a tensiones
inferiores a su límite de elasticidad es deformado temporalmente de acuerdo con la ley de
Hooke.
Los materiales sometidos a tensiones superiores a su límite de elasticidad tienen un
comportamiento plástico. Si las tensiones ejercidas continúan aumentando el material alcanza
su punto de fractura. El límite elástico marca, por tanto, el paso del campo elástico a la zona
de fluencia. Más formalmente, esto comporta que en una situación de tensión uniaxial, el
límite elástico es la tensión admisible a partir de la cual se entra en la superficie de fluencia
del material.
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Superficie de fluencia:
La superficie de fluencia de un material es una construcción
abstracta que permite visualizar el conjunto de tensiones
posibles o admisibles dentro de un sólido deformable
elastoplastico.
El estado tensional de un sólido deformable puede
caracterizarse mediante tres valores de tensión según tres direcciones perpendiculares
conocidas como tensión principales de tensión. Por eso así el estado tensional en ese punto
puede representarse por un espacio tridimensional R3. La superficie de fluencia es una
superficie bidimensional en dicho espacio de tensiones.
Cuando un sólido deformable se somete a tensiones progresivamente mayores, la energía
potencial elástica se incrementa y a partir de cierto punto se producen transformaciones
termodinámicas irreversibles al superar dicha energía cierto valor.
El conjunto de puntos por debajo de los cuales no se producen transformaciones
termodinámicas irreversibles es el conjunto de tensiones admisibles es una región conexa del
espacio de tensiones. La frontera de la región de tensiones admisibles es precisamente
superficie de fluencia.
Propiedades de la superficie de fluencia:
Convexidad: Bajo argumentos termodinámicos puede probarse que, La superficie de
fluencia es convexa.
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Compacidad: La superficie de fluencia se considera cerrada y por tanto encierra un
volumen finito. Y por tanto el conjunto de tensiones alcanzables es siempre un conjunto
compacto.
Continuidad: La superficie de fluencia se considera que es Lipshitz-continua.
Unicidad del problema elastoplástico: Cuando la superficie no es diferenciable el problema
elastoplástico puede ser tratado mediante métodos variacionales. Bajo condiciones
suficientemente regulares puede probarse que la solución del problema elastoplástico,
aun cuando la superficie no sea diferenciable, es única.
Plasticidad perfecta:
Un material elastoplástico se dice que presenta plasticidad perfecta, si sea cual sea el valor de
las tensiones en un punto, la superficie de fluencia no cambia ni de forma ni de posición en el
espacio abstracto de tensiones. Cuando un material presenta plasticidad perfecta las
ecuaciones constitutivas no necesitan incluir variables internas ni esfuerzos conjugados
asociados y el problema elastoplástico es más sencillo.
Los materiales reales sin embargo casi siempre presentan plasticidad imperfecta, y la
superficie de fluencia puede sufrir desplazamientos, tal como sucede en el efecto
Bauschinger. Los cambios de forma, generalmente están asociados al comportamiento de
endurecimiento, aumentando en ese caso el volumen encerrado en la superficie de fluencia.
D. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN:
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Es la máxima tensión a la que se alcanza en la curva de tensión deformación .si la probeta
desarrolla un decrecimiento localizado de la sección transversal (comúnmente llamada
estricción), la tensión convencional decrecerá con el incremento de la deformación hasta
producirse la fractura, porque la deformación convencional se determina utilizando el área
original de la sección transversal de la probeta.
2.2. PROBETA:
La probeta en el ensayo de tracción se sostiene por los dos extremos, a la vez que una fuerza
de tracción se aplica a velocidad constante; obteniéndose la curva tensión-deformación:
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Lo = Longitud inicial So = Sección inicial Do = Diámetro inicial Probetas normalizadas:
con (Do=20mm, Lo=100mm) ó (Do=10mm, Lo=50mm)
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3. DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS4.
Maquina medidora de esfuerzo Tracción
Un vernier (pie de rey)
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Cinco probetas metálicas
Un papel milimétrico
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5. DESCRIPCION DEL PROCEDIMIENTO
El procedimiento de la experiencia consta de cuatro probetas cada una con un cierto
diámetro. En la figura se muestran las probetas usadas en la experiencia.
Una vez medido el diámetro, y su largo, se procede a tomar el calibre de reducción de
área, tomando la referencia en cero y dejándolo fijo. Luego se toma el calibre de
elongación se toma el largo de la probeta y se fija.
La probeta después de este proceso de medición se ajusta en la máquina por medio
de unos sujetadores; se trata de que no quede holgura.
Ahora se coloca el papel en el cilindro marcador y se ubica la punta del lápiz en una
hoja de papel milimetrado. Luego la probeta está lista para realizar el método, se gira
la manilla en sentido horario para tensionar la pieza, mientras que en el extremo
superior de la máquina se encuentra una barra que indica la carga aplicada a la pieza,
esta barra se debe seguir mediante un puntero especial que lleva un lápiz y este se
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debe dar pulsaciones para dejar marcado en el papel, además el seguidor se debe
mover simultáneamente siguiendo la barra.
Si el trabajo se realiza con ayuda, esto implica una mayor precisión de trabajo, puesto
que una persona, gira la manilla (prueba del material) y la otra persona trabaja con el
lápiz, fijándose mucho mejor en la barra (indicador de carga aplicada a la probeta).
El proceso sigue hasta que el material se fracture.
La probeta partida en 2, se saca de los sujetadores de la máquina y se toma el calibre
de reducción de área y el diámetro más pequeño que quedó en la mitad de la probeta
se coloca y se indica el porcentaje de reducción del área de la sección.
Luego se toma los 2 pedazos de este y trate de unir las 2 partes, para que lo coloque
en el calibre de elongación, este dará el porcentaje de elongación de la probeta con
respecto a la inicial; es obvio el alargamiento de ella.
La última parte de examinación de la pieza, es ver el tipo de fractura, esta puede
ser parcial ó completa, este se ve con la conocida en que queda.
Ahora se estudia el papel marcado de la prueba realizada y se hacen los cálculos
respectivos.
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6. CALCULOS Y RESULTADOS
ALUMINIO
material longitud inicial diámetro inicial
Carga máxima
Longitud final diámetro final
aluminio 29,19 6,32 680 37,45 3,24
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ACERO DE BAJO CARBONO
material longitud inicial diámetro inicial Carga máxima
Longitud final diámetro final
aluminio 29,19 6,32 680 37,45 3,24
ALUMINIO
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módulo de Young 564,9717514esfuerzo de fluenciaestricción 0,687442726resilencia 4,434049079tenacidad 1125,881049
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material longitud inicial diámetro inicial Carga máxima Longitud final diámetro final
aluminio 29,19 6,32 680 37,45 3,24
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módulo de Young 1447,024565esfuerzo de fluenciaestricción 0,737181541resilencia 0,149327813tenacidad 18,46144932
COBRE
material longitud inicial diámetro inicial Carga máxima Longitud final diámetro finalcobre 28,48 6,19 980 34,27 2,97
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módulo de Young 2950,471233esfuerzo de fluenciaestricción 0,769786069resilencia 0,454438586tenacidad 51,75637356
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ACERO DE MEDIO CARBONO
material longitud inicial diámetro inicial Carga máxima Longitud final diámetro finalacero de medio C 27 6,1 2450 33,8 4,2
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módulo de Young 4635,464827esfuerzo de fluenciaestricción 0,525933889resilencia 0,376236293tenacidad 46,86690925
7. CUESTIONARIO
1.-De acuerdo a la Norma ITINTEC 341.002, ¿Cómo se define en el ensayo de tracción para el acero, el alargamiento porcentual después de la rotura?:
2.- De acuerdo a la Norma ITINTEC 341.002, ¿Cómo se define la resistencia a la tracción de un acero?
Esfuerzo de fluencia por unidad de Área.
3.- ¿Cuál es la máxima carga que puede ser aplicada en la Máquina Amsler de Ensayo de Tracción?
Cuando la aguja da una vuelta completa la máxima carga es de 3000Kg.
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4.- ¿Cómo influye la temperatura en los valores de máximo esfuerzo de rotura, elongación y tenacidad de un material metálico?
En el grafico se presenta la variación de la resistencia del material por efecto de la temperatura para el acero dulce (observar que presenta un mínimo y máximo)
En el grafico se presenta la variación de la resistencia del material por efecto de la temperatura para el acero moldeado(observar que presenta solo un máximo)
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Se presenta la variación de la resistencia del material por efecto de la temperatura para otros materiales como Fundición, Aluminio y Cobre.
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5.- ¿Cuál de los materiales ensayados presenta el mayor porcentaje de estricción? Indicar el valor
El material de Cobre con un porcentaje de 76,97%.
6.- ¿Cuál de los materiales ensayados presenta el menor porcentaje de elongación? Indicar el valor.
El material del Cobre con un porcentaje de 18,64%.
7.- Observando los valores de carga obtenidos durante los ensayos ¿Qué resorte habría recomendado utilizar para el ensayo de tracción del aluminio? ¿Por qué?
Un resorte que pueda soportar una carga 680Kg, es decir que cumpa con la ley de
Hooke hasta dicha carga.
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