INFORME DE LABORATORIO

COMPORTAMIENTO MECANICO DE TRACCIN EN MATERIALES

METALICOS

ALVAREZ, David

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA PAMPLONA NORTE DE SANTANDER FACULTAD DE INGNENIERIAS Y ARQUTECTURA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA MATERIALES EN INGENIERIA QUIMICA

RESUMEN

Para el desarrollo de la prctica de prueba de tensin se utilizaron distintos materiales metlicos: acero y aluminio los cuales se sometieron a ensayos de traccin deformacin, para determinar varias de las propiedades de los materiales a partir de probetas hasta rotura, en donde estas fueron sometidas a cargas estticas y mono axiales en la maquina universal, provocando esfuerzos normales en las probetas usadas que dan como resultado deformaciones en el material. Con los datos y graficas obtenidos por el software de la maquina y el anlisis de los mismos, se pudo aproximar el comportamiento de cada uno de los ellos y los posibles rasgos representativos de los mismos.

Palabras Claves: (deformacin, esfuerzo, modulo de elasticidad, tenacidad,

resistencia, maquina universal).

ABSTRACT

For the development of practical stress test used different metallic materials: steel and aluminum which were subjected to tensile tests - strain to determine several of the properties of materials from samples at break, where these were subjected to static loads and mono axial universal machine, causing normal stresses in the specimens used which result in deformations in the material. With the data and graphs obtained by the software of the machine and the analysis thereof, it was possible to approximate the behavior of each of the possible features them and representative thereof. Keywords: (strain, stress, elastic modulus, toughness, resistance, universal machine).

INTRODUCCION

El ensayo a traccin es la forma bsica de obtener informacin sobre el comportamiento mecnico de los materiales. Mediante una mquina de ensayos se deforma una muestra o probeta del material a estudiar, aplicando la fuerza unixialmente en el sentido del eje de la muestra. A medida que se va deformando la muestra, se va registrando la fuerza (carga), llegando generalmente hasta la fractura de la pieza. As pues, el resultado inmediato es una curva de carga frente a alargamiento, que transformados en tensin y deformacin, en funcin de la Geometra de la probeta ensayada, aportan una informacin ms general(1). El ensayo de traccin tiene por objetivo definir la resistencia elstica, resistencia ltima y plasticidad del material cuando se le somete a fuerzas uniaxiales. Se requiere una mquina, prensa hidrulica por lo general, capaz de: a) Alcanzar la fuerza suficiente para producir la fractura de la probeta. b) Controlar la velocidad de aumento de fuerzas. c) Registrar las fuerzas, F, que se aplican y los alargamientos, L, que se observan en la probeta. Un esquema de la mquina de ensayo de traccin se muestra en la Figura 1.(2)

Figura 1: Mquina de Ensayo de Traccin. La mquina de ensayo impone la deformacin desplazando el cabezal mvil a una velocidad seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una seal que representa la carga aplicada, las mquinas estn conectadas a un ordenador que registra el desplazamiento y la carga leda. Si representamos la carga frente al desplazamiento obtendremos una curva como la mostrada en la figura 2.

Figura 2: Fuerza vs. Alargamiento. La probeta a ensayar se sujeta por sus extremos al cabezal mvil de la

mquina de ensayos y a la clula de carga, respectivamente.(2) Las mordazas se sujecin deben mantener firme a la muestra durante el ensayo, mientras se aplica la carga, impidiendo el deslizamiento. A su vez, no deben influir en el ensayo introduciendo tensiones que causen la rotura en los puntos de sujecin. Para que el ensayo se considere vlido la rotura debe ocurrir dentro de la longitud calibrada, en la parte central de la probeta. A partir de las dimensiones iniciales de la probeta, se transforman la fuerza en tensin y el alargamiento en deformacin, que nos permite caracterizar las propiedades mecnicas que se derivan de este ensayo.(3)

De tal forma que la curva tpica sera tensin vs. Deformacin, tal y como se muestra en la figura 3.

Figura 3: Curva tpica de traccin hasta la fractura, punto F. La resistencia a la traccin TS est indicada en el punto M. Los insertos circulares representan la geometra de la probeta deformada en varios puntos de la curva. La interpretacin de la curva nos lleva: 1.- En la curva podemos distinguir dos regiones: - Zona elstica: La regin a bajas deformaciones (hasta el punto P), donde se cumple la Ley de Hooke: = E (E = modulo elstico). - Zona plstica: A partir del punto P. Se pierde el comportamiento lineal, el valor de tensin para el cual esta transicin ocurre, es decir, se pasa de deformacin elstica a plstica, es el Lmite de Elasticidad, y, del material. 2.- Despus de iniciarse la deformacin plstica, la tensin necesaria para continuar la deformacin en los metales aumenta hasta un mximo, punto M.(4)

Resistencia a traccin (RT TS), y despus disminuye hasta que finalmente se produce la fractura, punto F. La Resistencia a Traccin es la tensin en el mximo del diagrama tensin-deformacin nominales. Esto corresponde a la mxima tensin que puede ser soportada por una estructura a traccin; si esta tensin es aplicada y mantenida, se producir la rotura. Hasta llegar a este punto, toda la deformacin es uniforme en la regin estrecha de la probeta. Sin embargo, cuando se alcanza la tensin mxima, se empieza a formar una disminucin localizada en el rea de la seccin transversal en algn punto de la probeta, lo cual se denomina estriccin, y toda la deformacin subsiguiente est confinada en la estriccin. La fractura ocurre en la estriccin. La tensin de fractura o bien de rotura corresponde a la tensin en la fractura.(4) DEFORMACIN ELSTICA. Definimos elasticidad como la propiedad de un material en virtud de la cual las deformaciones causadas por la aplicacin de una fuerza desaparecen cuando cesa la accin de la fuerza. "Un cuerpo completamente elstico se concibe como uno de los que recobra completamente su forma y dimensiones originales al retirarse la carga". ej: caso de un resorte al cual le aplicamos una fuerza. El grado con que una estructura se deforma depende de la magnitud de la Tensin impuesta. Para muchos metales sometidos a esfuerzos de traccin pequeos, la tensin y la deformacin son proporcionales segn la relacin:

= E Esta relacin se conoce con el nombre de ley de Hooke, y la constante de proporcionalidad, E (MPa) es el mdulo de elasticidad, o mdulo de Young. Cuando se cumple que la deformacin es proporcional a la tensin, la deformacin se denomina deformacin elstica; al representar la tensin en el eje de coordenadas en funcin de la deformacin en el eje de abscisas se obtiene una relacin lineal:

La pendiente de este segmento lineal corresponde al mdulo de elasticidad E. Este mdulo puede ser interpretado como la rigidez, o sea, la resistencia de un material a la deformacin elstica. Cuanto mayor es el mdulo, ms rgido es el material, o sea, menor es la deformacin elstica que se origina cuando se aplica una determinada tensin.(5)

DEFORMACIN PLSTICA Definimos como plasticidad a aquella propiedad que permite al material soportar una deformacin permanente sin fracturarse. Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada trata de deformarse en el sentido de aplicacin de la fuerza. En el caso del ensayo de traccin, la fuerza se aplica en direccin del eje de ella y por eso se denomina axial, la probeta se alargara en direccin de su longitud y se encoger en el sentido o plano perpendicular. Aunque el esfuerzo y la deformacin ocurren simultneamente en el ensayo, los dos conceptos son completamente distintos. Para la mayora de los materiales metlicos, la deformacin elstica nicamente persiste hasta deformaciones de alrededor de 0.005. A medida que el material se deforma ms all de este punto, la tensin deja de ser proporcional a la deformacin y ocurre deformacin plstica, la cual es permanente, es decir no recuperable. En la figura 4 se traza esquemticamente el comportamiento tensin deformacin en la regin plstica para un metal tpico. La transicin elastoplstica es gradual para la mayora de los metales; se empieza a notar cierta curvatura al comienzo de la deformacin plstica, la cual aumenta rpidamente al aumentar la Carga.

Figura 4: (a) Curva de traccin tpica de un metal que muestra las deformaciones elstica y plstica, el limite proporcional P y el limite elstico y, determinado como la tensin para una deformacin plstica del 0.002. (b) Curva de traccin tpica de algunos aceros que presentan el fenmeno de la discontinuidad de la fluencia.(5) DUCTILIDAD La ductilidad es otra importante propiedad mecnica. Es una medida del grado de deformacin plstica que puede ser soportada hasta la fractura. Un material que experimenta poca o ninguna deformacin plstica se denomina frgil. La ductilidad puede expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo porcentual, o bien mediante el porcentaje de reduccin de rea.

El alargamiento relativo porcentual a rotura, %EL, es el porcentaje de deformacin plstica a rotura, o bien

donde: lf es la longitud en el momento de la fractura y l0 es la longitud de prueba original.

Figura 5: Representacin esquemtica de los diagramas de traccin de materiales frgiles, y dctiles ensayados hasta la fractura. RESILIENCIA. Medida de la capacidad de un material de absorber energa elstica antes de la deformacin plstica.

Figura 6: representacin esquemtica de tensin vs deformacin (6) MATERIALES Y EQUIPOS

Maquina universal. SHIMADZU

600 KN.

Probetas de la compaa de

aceros de Colombia:

Acero 1020

Acero 1045

Acero 4140

Aluminio

Pie de Rey (Calibrador)

Flexometro.

METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Primera parte.

Se procede a tomar, verificar y

registrar las medidas de cada una de

las probetas a utilizar en la prctica,

acero y aluminio, de donde se obtuvo

la siguiente informacin:

Dimetro de cada probeta: 12.7 mm

Longitud de cada probreta: 400

mm.

Cada una de estas medidas se hizo

con ayuda de un pie de rey y un

flexometro.

Segunda Parte.

Se procede al ensayo de traccin,

teniendo en cuenta los siguientes

pasos:

Se ajusta la maquina hasta llegar

a valores iniciales sea cero.

Se ajustan las probetas a las

mordazas teniendo en cuenta que

no se pase de los 100mm

tomados como referencia en cada

extremo.

Se configura la mquina de modo

tal que se aplique una precarga

de 8KN a cada probeta, para

verificar que estas estn sujetas

de manera apropiada.

Se Somete cada probeta a una

carga unidireccional mxima de

300KN, la cual estar controlada

por un software Trapezium, a

medida que la probeta sufre

deformacin.

Luego se espera a que cada

probeta alcance su esfuerzo

ltimo para que sufra la fractura

deseada.

finalmente se retira cada una de

las probetas y se procede a la

toma de datos finales.

ANALISIS DE RESULTADOS Y

DISCUSIN

AUTOEVALUACION

1. Porque se dice que el diagrama esfuerzo deformacin no es real? RTA. Porque en la curva esfuerzo deformacin se supone un rea constante para la totalidad del ensayo. Lo cual no obedece al verdadero comportamiento del material, ya que ste sufre un encuellamiento provocado por la carga aplicada, reduciendo as su rea inicial.

2. Que pasa a nivel microestructural antes, durante y despus del esfuerzo de fluencia?

RTA. Antes del esfuerzo de fluencia: Las dislocaciones se encuentran estables en la estructura, los tomos no cambian de posicin, esta zona recibe el nombre de zona elstica ya que si la carga es retirada, el material vuelve a su forma original Durante el esfuerzo de fluencia: Las dislocaciones comienzan a desplazarse por los planos de deslizamiento, encontrando a su paso otras imperfecciones necesitando as un mayor esfuerzo para romper dichos defectos. Despus del esfuerzo de fluencia: La microestructura se ve alterada ya que la carga aplicada supera la fuerza electrosttica que mantiene a los tomos de la celda unidad, desplazndolos

permanentemente a una nueva posicin de equilibrio. Las dislocaciones por su parte, continan desplazndose por las direcciones de deslizamiento ya que se les ha suministrado energa suficiente para poder romper los dems defectos.

3. Que pasa a nivel microestructural durante la inflexin de la grafica? RTA. A nivel estructural, ocurre un desplazamiento de los tomos antpodamente ubicados el plano de deslizamiento de la celda unida. Si la distancia entre estos tomos aumente la carga necesaria para que las dislocaciones se desplacen disminuye y por lo tanto, tambin lo hace el esfuerzo.

CURVA ESFUERZO VS

DEFORMACIN PARA CADA

PROBETA.

PROBETA 1

PROBETA 2

PROBETA 3

0

100

200

300

400

500

600

0 0,05 0,1

Esfu

erz

o (

MP

a)

Deformacin (mm/mm)

y = 59745x + 27,552

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0,002 0,004 0,006

esf

ue

rzo

(MP

a)

deformacin (mm/mm)

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

-0,05 0 0,05 0,1 0,15

Esfu

erz

o (

MP

a)

Deformacion (mm/mm)

y = 22393x - 19,302 R = 0,9876

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 0,01 0,02 0,03

Esfu

erz

o(M

Pa)

deformacion (mm/mm)

PROBETA DE Al

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

-0,05 0 0,05 0,1

Esfu

erz

o (

MP

a)

deformacion (mm/mm)

y = 27506x + 1,3882 R = 0,9987

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 0,005 0,01 0,015 0,02

esf

ue

rzo

(M

Pa)

deformacion (mm/mm)

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

-0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2

Esfu

erz

o (

MP

a)

Deformacion (mm/mm)

y = 9513,4x - 9,9934 R = 0,988

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-0,01 0 0,01 0,02

Esfu

erz

o (

MP

a)

Deformacion (mm/mm)

Material L inicial (mm)

D final (mm)

rea inicial (mm2)

Probeta1 400 12.7 126.68

Probeta2 400 12.7 126.68

Probeta3 400 12.7 126.68

Aluminio 400 12.5 122.71

ANALISIS DE RESULTADOS

Al determinacin de la identidad de

cada probeta se hizo uso de

propiedades qumicas y mecnicas

de los materiales, para ello tenemos

entonces la composicin qumica de

cada uno de los aceros:

ACERO 4140

Fig. 4: Composicin qumica acero

4140

ACERO 1020

Material Lfinal (mm)

D final (mm)

rea final (mm2)

Probeta1 420 7.6 45.36

Probeta2 418 7.9 49.016

Probeta3 415 9.45 70.138

Aluminio 441 8.3 54.106

Fig. 5: Composicin qumica acero

1020

ACERO 1045

Fig. 6: Composicin qumica acero

1045

Teniendo en cuenta la funcion que

cumple cada elemento dentro de la

aleacion y la composicion de cada

acero se hara uso de lo anterior para

designar la identidad a cada acero,

sacando hipotesis tales como:

Como el cromo ayuda a

mejorara la resistencia a la

traccin y este se incluye en el

acero 4140 el material con

mayor resistencia a la traccin

sera el acero 4140.para

nuestro caso la probeta 1,

dando en este paso identidad

a la probeta 1.

Al observar la forma que presenta el

material despus de su rotura (fig 1):

Fig 1: Rotura de acero

Se noto un encuellamiento lo cual nos

indic que el material es

relativamente dctil aunque se noto

mayor fragilidad en unos que en

otros.

Los datos encontrados al remitirnos a

las fichas tcnicas de la compaa

General de Aceros encontramos que

algunas de las propiedades

mecnicas son las siguientes:

Tabla 4: Datos por la CGA.

Material Modulo elstico (Mpa)

% R AREA

Limite elstico (Mpa)

1020 2X105 - 294

1045 2X105 53 -

4140 2.1X105 22 589

[3].

Se observo que:

Los mdulos del elasticidad o

de Young difieren ampliamente

esto puede deberse a que de

de datos con los que estamos

comparando desconocemos

las condiciones de laboratorio

que se tuvieran.

Comparando en calidad de

proporciones de Modulo de

Elasticidad, % de reduccin de

Area y limite elstico se podra

inferir que la probeta 1

corresponde a el acero 4140,

La probeta 2 corresponde al

1020 y la probeta 3 al acero

1045.

Ya que para la probeta 2 y 3

son casi iguales mientras que

la probeta 1 es mayor, los

lmites elsticos

aproximadamente

corresponden a las

designaciones.

Para el Aluminio se puede mencionar

que:

En estado puro tiene un lmite de

resistencia en traccin de 160-200

N/mm2 (160-200 MPa) Y mdulo

elstico 70 GPa, [4].

Como podemos observar el modulo

elstico no corresponde al calculado

y el limite de resistencia a la traccin

calculado es levemente mayor estas

variaciones pueden deberse a

presencia de impurezas en el

Aluminio.

Todas las inconsistencias anteriores

pueden ser tambin atribuidas al mal

manejo o sujecin del material en las

mordazas ya que al final el ensayo el

material presentaba marcas de

deslizamientos, lo cual provoca

graves errores a la hora de obtener

los datos en el software.

CONCLUSIONES

De acuerdo con los aceros se

pudo determinar que son

materiales muy rgidos, este se

comprob por los valores de

mdulos de Young, para

nuestra practica se determin

que el material ms rgido es el

4140.

El mdulo de Elasticidad o de

Young se ven seriamente

afectados por deslizamientos

que se presentan entre las

mordazas y el material.

Para mayor precisin si hubo

error o no en la determinacin

de propiedades mecnicas se

necesita conocer el tratamiento

trmico que se le ha dado al

material estudiado.

RECOMENDACIONES

Se recomienda para la prctica,

utilizar

mordazas y probetas con un mejor

diseo de agarre o geometria para

que

no se presenten deslizamientos a la

hora

de aplicar la obre carga tensin.

BIBLIOGRAFIA

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Introduccin a la Ciencia de

Materiales para Ingenieros. 4

edicin, Pearson Educacin, 1998

[2]. Metalurgia y materiales

industriales John E. Neely LIMUSA

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[5].William F Smith. Fundamentos de

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Tercera edicin. Editorial McGraw

Hill/Interamericana De Espaa

S.A.U.1998. Estructura atmica:

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[6]. Metalurgia y materiales

industriales John E. Neely LIMUSA

2000