informe lab a2

Introducción.

A continuación, se expondrán los resultados obtenidos luego de la realización del laboratorio A “Ensayo de tracción con distintos materiales”, del curso Ciencias de los Materiales.

Para la realización de este laboratorio se procedió a trabajar con una probeta de acero SAE1020, aluminio y bronce, las cuales fueron sometidas a un ensayo de tracción uniaxial, dónde se sometían a tracción con una fuerza constante proporcionada por la máquina universal de Ensayo INSTRON, con el objetivo principal de determinar las propiedades mecánicas de los tres materiales, tales como: límite de fluencia, esfuerzo máximo, deformación máxima a la ruptura, tenacidad y ductilidad.

Gracias a estos resultados es que se pueden resolver algunas interrogantes como: saber si una estructura o artefacto durará para siempre, poder determinar a qué esfuerzos máximos pueden ser sometidos, utilizar distintos materiales según sus propiedades mecánicas para determinados requerimientos, entre otras. Por lo que cuantificar las propiedades de los materiales, compararlas y analizarlas, es una importante herramienta que permite que existan avances tan significativos en diversas áreas como: salud, construcción, tecnología, computación, etc.

1

Marco teórico.

1. Acero SAE 1020El acero SAE 1020 tiene una composición de 0.20% C; 0.60- 0.90% Mn; 0.04% P; 0.05% S. Este acero es utilizado por responder bien al trabajo en frio y al tratamiento térmico de cementación. Además tiene una alta tenacidad y una baja resistencia mecánica, por lo que es adecuado para elementos de maquinaria.

2. AluminioEl aluminio es un elemento muy abundante en la corteza terrestre. Como características principales se puede mencionar su bajo punto de fusión y que puede formar aleaciones muy resistentes. Además es tenaz, dúctil, maleable y a pesar de ser muy liviano posee una dureza significativa, lo que permite su variada utilización.

3. Bronce El bronce es una aleación metálica de cobre y estaño, donde éste último se presenta entre un 3-20%. Sus principales características son: su buena conducción eléctrica y de calor, un elevado calor específico, pero por sobre todo destaca por su resistencia a la corrosión, lo que lo hace ser utilizado en implementos que deben permanecer al aire libre, lo que lo convierte en un material muy utilizado.

4. Ensayo de tracciónEl ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. La velocidad a la que sucede este ensayo suele ser de un orden muy pequeño.

Figura 1: Máquina universal de tracción

2

Para la realización del ensayo de tracción se utiliza una máquina universal de ensayo INSTRON , como se muestra en la Figura 1, semejante a una prensa con la que es posible medir propiedades mecánicas de los materiales.

La presión se logra mediante placas o mandíbulas accionadas por tornillos o un sistema hidráulico.

5. Esfuerzo El esfuerzo puede ser considerado como esfuerzo de ingeniería, que considera la fórmula 1 dividida por el área inicial, o como esfuerzo verdadero, donde se considera el área real en la fórmula descrita.

Ecuación 1: Esfuerzo

6. DeformaciónLa deformación se define como:

Ecuación 2: Deformación unitaria de ingeniería

Ecuación 3: Deformación unitaria real

Por asuntos de simplicidad y convenciones, los trabajos suelen estar orientados y basados con los términos ingenieriles, no con los verdaderos.

Una forma típica de representar los resultados obtenidos en los ensayos de tracción, es mediante una gráfica esfuerzo – deformación, como la que se indica en la figura 2.

Este gráfico responde a un modelo general, pero varía sus valores según el material con el que se trabaje.

3

Figura 2: Gráfico esfuerzo-deformación

En la figura 2, es posible distinguir dos zonas de comportamiento del ensayo: una zona elástica y otra plástica. En la primera, la deformación es no permanente, es decir, si se eliminan los esfuerzos externos el material vuelve a su forma original, además, el comportamiento en esta zona es lineal, obedeciendo a la ley de Hooke. Mientras que la zona plástica ocurre totalmente lo contrario, una vez alcanzada esta zona, el material no logra volver a su configuración inicial.

7. Límite de fluenciaEl límite de fluencia es el punto a partir del cual el material se deforma plásticamente. Hasta esa tensión el material se comporta elásticamente, siguiendo la ley de Hooke:

Ecuación 4: Ley de Hooke.

8. Esfuerzo máximoEl esfuerzo máximo es el máximo valor que se puede aplicar sobre el material. Cuando el esfuerzo se iguala al esfuerzo máximo se inicia la estricción y luego la fractura del material.

9. Deformación máxima a la rupturaCorresponde al máximo estiramiento al que se puede someter cierto material antes de que falle. Para poder determinar esta propiedad de manera gráfica, se usa una regresión de datos, es decir, se calcula el módulo de Young, usando datos de la recta de comportamiento elástico y se genera una nueva recta para el caso de la máxima deformación, asumiendo que en ese punto, como el comportamiento es plástico, es permanente. Esto se muestra en la siguiente figura, dónde la recta que nace desde el punto c, representa la recta generada con la regresión, pues tiene igual pendiente que la recta en la zona elástica.

4

Figura 3: Gráfico representativo de Regresión de Datos

10. DuctilidadLa ductilidad es una medida de la cantidad de deformación plástica que puede darse en un material antes que éste se rompa. Puede ser medida como función de la elongación o del área.

Ecuación 5: Ductilidad como variación de la elongación

Ecuación 6: Ductilidad como variación del área

11. Tenacidad En ciencia de materiales, la tenacidad es la energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura, por acumulación de dislocaciones.

5

Metodología.

Se trabajó con tres probetas, una de acero SAE 1020, otra de Aluminio y una tercera de Bronce. Para poder determinar diferentes propiedades mecánicas de cada una de ellas, estas son sometidas a un ensayo de tracción uniaxial, con el uso de la máquina universal de ensayo INSTRON. El tipo de ensayo a realizar es esencialmente el mismo para los tres materiales: se coloca una probeta en la máquina, midiendo previamente largo y sección inicial, se procede a aplicar carga en forma creciente y continua al material, registrando cada cierto intervalo la carga y la deformación que experimenta el material. La carga se aplica hasta la ruptura de la probeta. Una vez que se ha alcanzado la ruptura se debe medir el largo y la sección final.

Figura 4: Probetas

Gracias a la utilización de la máquina universal de ensayo INSTRON, es que se obtiene en detalle los resultados de extensión, carga, esfuerzo de tracción, tenacidad, extensión de tracción y deformación de tracción, con los cuales se puede desarrollar el trabajo.

6

Resultados y discusión.

Los datos iniciales de largo y sección de área se presentan en la siguiente tabla:

Tabla 1: Diametro y Largo inicial de probetas

Diámetro inicial [mm]

Largo inicial [mm]

Acero 5 82Aluminio 4,5 78,6Bronce 5 66,6

Siguiendo los primeros pasos descritos en la sección Metodología, se obtuvieron los datos finales, luego de la ruptura de las probetas y se muestran en seguida:

Tabla 2: Diametro y Largo final de probetas

Diámetro final [mm] Largo final [mm]Aluminio 3 88Acero 3,3 82,35Bronce 4,1 75,7

Fácilmente se puede notar que lo resultados son acorde de los esperados, ya que al traccionar un material, este comienza a alargarse y para mantener su volumen, debe necesariamente angostarse, como se logra apreciar en Figura 5:

Figura 5: resultado de un ensayo de tracción uniaxial

7

Con los datos obtenidos de las tablas 1 y 2, se puede hacer un análisis de cuál fue la variación porcentual de cada probeta, para esto se calcularon las variaciones de largo final menos el inicial, al igual que para el diámetro.

Tabla 3: Variaciones de largo y diámetro

∆ diámetro [mm] ∆ largo interno [mm]Acero -2 6Aluminio -1,2 3,75Bronce -0,9 9

Es fácil notar que el bronce es el material que presenta una mayor variación en su largo, pero es el que presenta menor variación en el diámetro, mientras que el acero es el que presenta mayor variación de diámetro.

Con todos los datos necesarios, se realizó un análisis para cada uno de los materiales, con ayuda de los datos entregados por la máquina universal de ensayo INSTTRON, obteniendo:

1. Acero:

0 0.017070.034150.051220.068290.085370.102440.119520.13658-1000

100200300400500600700800

Curva Esfuerzo - Deformación

Deformación [mm/mm]

Esfu

erzo

[MPa

]

Gráfico 1: Esfuerzo- deformación ACERO

De la simple inspección del gráfico 1, es posible decir que el comportamiento elástico se produce hasta aproximadamente los 0,073 [mm/mm], dónde la recta comienza a curvarse. En ese punto el esfuerzo es de 623,47 [Mpa], por lo que esta medida corresponde al esfuerzo de fluencia, por definición de éste.

Otro punto que se encuentra por análisis del gráfico es el máximo esfuerzo, que tiene un valor de 663,01 [Mpa], y está asociado a una deformación de 0,112 [mm/mm]. La Tenacidad máxima también se obtiene en este punto, y tiene un valor de 13.274,83 [gf/tex] para una carga de 13.018,17 [N], como se puede apreciar a continuación:

8

0 22.5 45 67.5 90.00001 112.50001 135-20000

2000400060008000

10000120001400016000

Curva tenacidad - tiempo

Tiempo [s]

Tena

cidad

[gf/

tex]

Gráfico 2: Curva tenacidad - tiempo ACERO

La deformación de 0,14 [mm/mm] corresponde al punto exacto dónde se genera la fractura definitiva de la probeta, entonces se utiliza el método de regresión lineal explicado en Marco Teórico para obtener la siguiente recta de comportamiento elástico:

σ = 9.022,47*ε – 70

Ecuación 7: Recta representativa comportamiento lineal ACERO

Se tiene un módulo de Young de 9.022,47 [Mpa]

Para la ductilidad, se utiliza la ecuación 5 y 6, resultando ser igual a:

Variación de longitud: 7,3% Variación de área: -64%

9

2. Aluminio:

0 0.01749 0.03499 0.05248 0.06998 0.08747 0.10496 0.122460

50

100

150

200

250

300



Esfu

erzo

[MPa

]

Gráfico 3: Curva esfuerzo - deformación ALUMINIO


Otro punto que se encuentra por análisis del gráfico es el máximo esfuerzo, que tiene un valor de 285,08 [Mpa], y está asociado a una deformación de 0,106 [mm/mm]. La Tenacidad máxima también se obtiene en este punto, y tiene un valor de 4.623,40 [gf/tex] para una carga de 4.534[N], como se puede apreciar a continuación:

0 26 52 78 104.00001 130 156 182.000020

500100015002000250030003500400045005000

Curva Tenacidad - Tiempo

Tiempo [s]

Tena

cidad

[gf/

tex]

Gráfico 4: Curva tenacidad - tiempo ALUMINIO

10


σ = 4.687,77*ε – 30,21

Ecuación 8: Recta representativa comportamiento lineal ALUMINIO



Variación de longitud: 4,7% Variación de área: -46,2%

3. Bronce:

0.000180.024720.049250.07377 0.0983 0.122830.147350.171870.196390

50100150200250300350400450



Esfu

erzo

[MPa

]

Gráfico 5: Curva esfuerzo - deformación BRONCE


Otro punto que se encuentra por análisis del gráfico es el máximo esfuerzo, que tiene un valor de 419,87 [Mpa], y está asociado a una deformación de 0,165 [mm/mm]. La Tenacidad máxima también se obtiene en este punto, y tiene un valor de 8.406,74 [gf/tex] para una carga de 8.244,19[N], como se puede apreciar a continuación:

11

0.16 17.66 35.16 52.66 70.16 87.66 105.16 122.66 140.16 157.660

100020003000400050006000700080009000

Curva Tenacidad - Tiempo

Tiempo [s]

Tena

cidad

[gf/

tex]

Gráfico 6: Curva tenacidad - tiempo Bronce


σ = 4.947,48*ε – 29,6

Ecuación 9: Recta representativa comportamiento lineal ACERO



Variación de longitud: 13,5% Variación de área: -32,7%

4. Resultados finalesA modo de resumen, a continuación de presentar todos los resultados obtenidos durante el análisis.

Límite de fluencia [MPa]

Esfuerzo máximo [MPa]

Ductilidad según largo[%]

Ductilidad según área [%]

Tenacidad máxima [gf/tex]

Acero 623,47 663,01 7,3 -64 13274,83Aluminio

253,45 285,08 4,7 -46,2 4623,4

Bronce 346,02 419,87 13,5 -32,7 8406,74

12

A modo general, se puede decir que existen diferencias grandes entres las propiedades mecánicas de cada material, lo que explica los diferentes usos que tiene cada uno de ellos.

Respecto al límite de fluencia, el mayor valor lo presenta el acero, lo que indica que requiere un mayor esfuerzo para pasar a la zona de comportamiento plástico, dónde la deformación es permanente. El Aluminio presenta el menor valor de este esfuerzo, esto dice porqué el acero es usado en construcción por ejemplo, pues es un material muy resistente y que requiere un gran esfuerzo para comenzar a fallar. Así mismo el aluminio que es bastante liviano, tiene menor resistencia si se le aplica una gran cantidad de esfuerzo. El bronce por otro lado, se encuentra en un valor intermedio, entre los dos. El mismo análisis se puede hacer al comprar el esfuerzo máximo, pues presentan la misma secuencia anterior, el mayor valor le corresponde al acero y el menor al aluminio. Se hace necesario considerar que el esfuerzo máximo que soporta el acero, duplica al del aluminio, lo que ratifica lo dicho anteriormente sobre su utilización.

La propiedad de la ductilidad, solo se puede comparar porcentualmente, es decir, no se conocen los valores asociados a cada material. Usando una fórmula que relaciona esta propiedad en función de la variación de los largo, el bronce es quien posee mayor ductilidad seguido del acero y luego el aluminio, mientras que al comparar la ductilidad proveniente por variación de área, el mas ductil resulta ser el acero, luego y el aluminio y, finalmente, el bronce. Además esta propiedad es posible relacionarla con el tipo de corte que se produzca en la zona de falla de cada material. La probeta de bronce, fue la única dónde la falla de fractura fue relativamente cercana a 45º y no con el típico cuello de botella, de la figura 5, lo que lo sigue calificando como un material frágil, en los otros dos casos, la ruptura fue plana, y sin mayores diferencias entre ambas, por lo que en ese caso resulta difícil poder analizar fielmente la ductilidad, ya que para esto sería necesario observar de manera microscópica la superficie de corte de cada probeta y ver si es rugosa (dúctil) o lisa (frágil).

Respecto a la tenacidad, sus resultados fueron graficados en función del tiempo, y su comportamiento resultó ser igual a la curva de esfuerzo deformación de cada material (igual en forma, con distintos valores). Los valores obtenidos indican que el acero es el material más tenaz, es decir, es quién absorbe una mayor energía antes de fracturarse, lo que nuevamente puede ser relacionado con el hecho de que el acero sin dudas es uno de los materiales más resistentes que existen, y por eso su uso en aparatos y máquinas pesadas o construcción, dónde se requiere de este tipo de características. El aluminio es el material menos tenaz de los analizados, pero a pesar de esto, se sabe que cuando forma aleaciones puede llegar a ser muy resistente.

Un aspecto considerable dentro de todo lo expuesto con anterioridad son los errores asociados a esta experiencia. Uno de los principales errores tiene relación con la cantidad de mediciones realizadas, pues si se quiere tener un real análisis de las propiedades mecánicas de los materiales, es necesario realizar una cantidad considerable de mediciones, para poder estimar promedios y desviaciones, asunto que no se puede realizar en esta actividad, pues solo se medió un ensayo de

13

tracción uniaxial para cada material, por ende pueden existir valores que se escapen un poco de la realidad.

Además la máquina universal en cierto sentido presenta unas imprecisiones, pues los dientes que afirman las probetas se sueltan o incluso, se quiebran, afectando los resultados entregados. Sin embargo esto no ocurrió o no fue visualizado.

14

Conclusiones

Los distintos materiales que existen y sus características permiten su utilización según sea requerido, es decir, día a día se busca escoger el material más idóneo para determinada actividad. Esta elección está determinada por las propiedades mecánicas de estos materiales, las cuales son: Esfuerzo de fluencia, esfuerzo máximo, deformación a la ruptura, Tenacidad, ductilidad, entre otras, las cuáles permiten decir cómo se comportará el material a determinadas condiciones, cuáles valores máximos de esfuerzo podrá soportar e incluso en qué punto fallará.

Se consideraron tres materiales sumamente comunes, como lo son: acero, aluminio y bronce, de los cuales se conoce a grandes rasgos su utilización en áreas de construcción, bicicletas y joyería respectivamente. Con la realización de la actividad antes descrita, fue posible entender el porqué de estos usos, pues al someter a los tres materiales a un ensayo de tracción, fue posible determinar sus propiedades mecánicas, cuantificarlas y compararlas.

El acero, material usado en labores pesadas, dónde se requiere de una fuerte resistencia, presentó el mayor esfuerzo de fluencia y esfuerzo máximo, es decir, es el que soporta una mayor cantidad de esfuerzo antes de deformarse plásticamente y antes de fallar, lo que lo convierte sin dudas en un material resistente.

El aluminio, es muy usado en la fabricación de bicicletas y autos, además de tener un fuerte uso en minería. La principal característica que posee es su ductilidad y lo liviano que es. Resultó ser el que presentó menor esfuerzo de fluencia, menor esfuerzo máximo, menor tenacidad y menor ductilidad.

El último material corresponde al bronce, el cual presentó principalmente valores medios en casi todas las propiedades calculadas, a excepción de la ductilidad donde posee mayor porcentaje en comparación a su largo, lo que no lo convierte en un material usable en aplicaciones dónde los esfuerzos sean demasiados grandes. Por esto es que se usa fundamentalmente en joyería, cañería y chapas de puertas, ya que presenta una alta resistencia a la corrosión, por lo que puede estar a exposición del ambiente.

En síntesis, cada material tiene diferentes propiedades y éstas son determinantes para sus usos. Tener en consideración esto, puede producir mejoras en todos los ámbitos de la vida, y hace usar las cosas de forma eficiente, es decir, cada material para lo que es mejor intrínsecamente.

15

Bibliografía

[1] E. Donoso, «U-Cursos,» [En línea]. Available: https://www.u-cursos.cl/ingenieria/2012/1/CM3201/1/material_docente/.

[2] M. T. Piovan. [En línea]. Available: http://www.frbb.utn.edu.ar/carreras/materias/elementosdemaquinas/apendice-04.pdf.

[3] W. D. Callister. [En línea]. Available: https://www.u-cursos.cl/ingenieria/2009/2/CM3201/1/material_alumnos/objeto/44825.

16

informe lab a2

Documents