Ensayo de Tracción

Universidad Nacional de Ingeniería

Facultad de Ingeniería Mecánica

Informe de Laboratorio Nº 2

“Ensayo de Tracción”

Integrantes:

Valladares Martel, Alfredo Renato 20141235I

López Zapata, Erwin Daniel 20134507G

Mori Ozambella, Joel Eduardo 20144067J

Curso:

CIENCIA DE LOS MATERIALES MC 112

Profesor:

Mario Ticona

Sección:

“D”

Fecha de entrega:

30 de Abril del 2015

1

Índice

Pg. 1. Objetivo 2 2. Fundamento Teórico 2 3. Terminología Aplicable 3 3. 1. Uniaxial test 3

3.2. Discontinuous yielding 3 3.3. Elongation at fracture 3 3.4. Lower yield strength 3 3.5. Uniform elongation 3 3.6. Upper yield strength 3 3.7. Yield point elongation 3

4. Referencias 3 5. Recursos 4

5.1. Recursos Materiales 4 5.1.1. Probetas 4

5.1.1.1. Alumnio 4 5.1.1.2. Cobre 4 5.1.1.3. Bronce 4 5.1.1.4. SAE1010 4 5.1.1.5. SAE1045 4

5.1.2. Equipo 5 5. Recursos Humanos 5

6. Procedimientos de ensayo 5 7. Resultados 7

7.1. Verificación de medidas normalizadas 7 7.2. Tablas de fuerza/desplazamiento 8

7.2.1. Alumnio 8 7.2.2. Cobre 8 7.2.3. Bronce 9 7.2.4. SAE1010 9 7.2.5. SAE1045 10

7.3. Datos calculados 10 7.3.1. Alumnio 10 7.3.2. Cobre 11 7.3.3. Bronce 11 7.3.4. SAE1010 12 7.3.5. SAE1045 12

7.4. Gráficas obtenidas 13 7.4.1. Alumnio 13 7.4.2. Cobre 13 7.4.3. Bronce 14

7.4.4. SAE1010 14 7.4.5. SAE1045 15

7.5. Valores de propiedades mecánicas 15 7.6. Tabla de resumen 15 7.7. Gráfico comparativo 16

8. Conclusiones 16 9. Observaciones, Recomendaciones 17 10. Anexos 17

10.1. Anexo1 17 10.2. Anexo2 17

2

1. Objetivo

Presentar los datos obtenidos y en base a ellos realizar un análisis que nos permita entender las

características de los materiales estudiados en el ensayo de tracción.

2. Fundamento Teórico

El ensayo de tracción consiste en someter una probeta a dos fuerzas extensoras “F” crecientes

hasta la rotura. Se tienen como datos iniciales el diámetro D0 de la sección transversal de la

probeta y la longitud L0 medida entre dos puntos de la probeta. (François Retalliau, 1982)

El objetivo de este ensayo es obtener curvas carga/desplazamiento que luego puedan ser

traducidas a curvas de tensión/deformación unitaria. Para ello podemos usar las relaciones que

nos proporcionan la ecuación 1 y 2. (Michael F. Ashby, 2008)

(1)

(2)

Sin embargo estas relaciones consideran un área transversal y una longitud constante. A la curva

producto de estas consideraciones se le denomina curva de esfuerzo ingenieril. Sin embargo, si

tomamos en cuenta las relaciones de las ecuaciones 3 y 4 obtendremos una curva real de

tensión/deformación unitaria. Las diferencias entre estas gráficas se pueden observar en la figura

1.

( ) (3)

( ) (4)

Figura 1. Gráfica ingenieril y real del esfuerzo vs deformación unitaria.

(Kalpakjian, Serope y Schmid, 2002)

3

3. Terminología aplicable

3.1. Uniaxial test (Ensayo uniaxial): Se refiere a los ensayos de tracción en los cuales sobre la

probeta de ensayo solo actúan dos fuerzas colineales, de igual magnitud y sentido contrario.

3.2. Discontinuous yielding (Fluencia discontinua): En ensayos uniaxiales, una oscilación o

fluctuación de la fuerza es observada en el inicio de la deformación plástica, debido a la fluencia

localizada.

3.3. Elongation at fracture (Alargamiento de rotura): Es el alargamiento medido justo antes de la

disminución repentina de la fuerza asociada con la fractura. Para muchos materiales que no

presentan una disminución repentina en la fuerza, el alargamiento de rotura se puede tomar

como la tensión medida justo antes de que la fuerza cae por debajo de 10% de la fuerza máxima

encontrada durante la prueba.

3.4. Lower yield strength (límite elástico inferior): En una prueba uniaxial, la tensión mínima

registrada durante la fluencia discontinua, ignorando los efectos transitorios.

3.5. Uniform elongation (elongación uniforme): Refiere a la elongación determinada en la fuerza

máxima sostenida por la pieza de ensayo justo antes de la formación de cuellos o fractura, o

ambos. La elongación uniforme incluye elongación elástica y plástica.

3.6. Upper yield strength (límite elástico superior): En una prueba uniaxial, el primer valor

máximo de tensión (primera pendiente cero) asociada con la fluencia discontinua cerca al inicio

de la deformación plástica.

3.7. Yield point elongation (elongación de fluencia): En una prueba uniaxial, la deformación

(expresada en porcentaje) separando el primer punto, de pendiente cero de la curva tensión-

deformación, del punto de transición de la fluencia discontinua al endurecimiento por

deformación uniforme.

4. Referencias

ASTM A370. Standard Test Method and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products.

ASTM E8. Standard Test Method for Tension Testing of Metallic Materials. François Retalliau, Cálculos y ensayos. Estudio de los proyectos: II, 2° edición, España,

p.1813, 1982. Michael F. Ashby, Materiales para ingeniería 1. Introducción a las propiedades, las

aplicaciones y el diseño, edición 2008, España, p.106, 2008. Kalpakjian, Serope y Schmid, Steven R., Manufactura, ingeniería y tecnología, 4 edición,

México, p.p. 60,61, 2002.

4

5. Recursos

5.1 Recursos Materiales

5.1.1. Probetas

5.1.1.1. Aluminio

1 Probeta. 6.20 mm de diámetro inicial y 25.40mm

de longitud de referencia inicial. De fácil mecanizado. Resistencia última: 160-200 N/mm².

5.1.1.2. Cobre


de longitud de referencia inicial. De fácil mecanizado. Resistencia última: 363-402.21 N/mm². Resistencia de fluencia:353.16 N/mm².

5.1.1.3. Bronce


de longitud de referencia inicial. Resistencia última: 300-900 N/mm².

5.1.1.4. SAE 1010


de longitud de referencia inicial. Resistencia última: 370 N/mm². Resistencia de fluencia:300 N/mm².

5.1.1.5. SAE 1045


de longitud de referencia inicial. Resistencia última: 630 N/mm². Resistencia de fluencia:530 N/mm².

Figura 2. Probeta de aluminio

antes del ensayo.

Figura 3. Probeta de cobre

antes del ensayo.

Figura 4. Probeta de bronce.

Figura 5. Probeta de SAE 1010

antes del ensayo.

Figura 6. Probeta de SAE 1045

antes del ensayo.

5

5.1.2. Equipo

5.1.2.1. Máquina de tracción del Laboratorio 4 de la FIM-UNI.

5.2. Recursos humanos

Técnico capacitado del laboratorio 4 de la facultad de ingeniería mecánica de la UNI.

6. Procedimientos de ensayo

6.1. Realizar las mediciones de condición inicial de la probeta a ensayar, los datos a medir más importantes en este paso son la longitud de referencia inicial y el diametro inicial. En el caso que se deseen medidas normalizadas, en este paso no se medirá, sino que se preparará la probeta.

Figura 7. Máquina de tracción utilizada en

el ensayo.

Figura 8. Imagen de referencia para el paso 1.

6

6.2. Colocar el papel milimetrado en la posición mostrada, de forma que podamos obtener una distribución que tomaremos por gráfica de carga/desplazamiento.

6.3. Colocar la probeta en la máquina de tracción, asegurando que ésta esté bien sujetada por las garras de la máquina.

6.4. Aplicar la carga, ésta irá aumentando de forma gradual, por lo que es necesario observar los datos de carga que nos muestra el “reloj” de la máquina, así como observar comportamientos extraños que nos indiquen el momento en el cual el material se encuentra en el Yield point elongation y podamos medir la carga de fluencia.



7

6.5. Finalmente, obtener valores de carga máxima y/o rotura si se cree conveniente. En muchos casos obtener estos datos es más fácil de obtener que la carga de fluencia, pues los comportamientos extraños dependen del material, por lo cual no siempre existirán. Para obtener nuestros datos es necesario llevar a la probeta hasta la rotura, y con el uso del “reloj” de la máquina medir las cargas que marcan la manecilla negra y roja.

7. Resultados

7.1. Verificación de medidas normalizadas.

Aluminio: Normalizado. (Sus mediadas se encuentran en el rango de Small –Size

Specimens Proportional to Standard)

Cobre: Normalizado. (Sus mediadas se encuentran en el rango de Small –Size Specimens

Proportional to Standard)

Bronce: No normalizado. (Su medida de diámetro escapa por muy poco del rango

normalizado)

SAE 1010: No normalizado. (Su medida de diámetro escapa del rango normalizado)

SAE 1045: Normalizado. (Sus mediadas se encuentran en el rango de Small –Size

Specimens Proportional to Standard)



8

7.2. Tablas de fuerza/desplazamiento obtenidas:

7.2.1. Aluminio

Tabla 1. Fuerza/desplazamiento en el aluminio.

Fuerza ∆L Observación

0.00kgf 0.00mm -

500.00kgf 0.23mm -

576.92kgf 0.44mm -

653.85kgf 0.67mm -

676.92kgf 0.89mm -

692.31kgf 1.78mm -

700.00kgf 2.22mm Máximo esfuerzo

692.31kgf 2.66mm -

653.85kgf 3.55mm -

576.92kgf 4.44mm Rotura

7.2.2. Cobre

Tabla 2. Fuerza/desplazamiento en el cobre.


0.00kgf 0.00mm -


1082.38kgf 1.00mm -

1038.17kgf 1.34mm -

993.96kgf 1.69mm -

945.17kgf 1.98mm -

899.44kgf 2.33mm -

762.24kgf 2.93mm -

743.94kgf 3.06mm -

728.70kgf 3.26mm -


9

7.2.3. Bronce

Tabla 3. Fuerza/desplazamiento en el bronce.


0.00kgf 0.00mm -

9.84kgf 0.21mm -

19.68kgf 0.44mm -

89.95kgf 0.68mm -

1145.41kgf 1.27mm -

1236.76kgf 1.48mm -

1264.86kgf 1.61mm -

1335.14kgf 1.82mm -

1405.41kgf 2.24mm -

1444.76kgf 2.33mm -

1513.62kgf 2.96mm -

1534.70kgf 3.39mm -



7.2.4. SAE1010

Tabla 4. Fuerza/desplazamiento en el SAE1010.


0.00kgf 0.00mm -

49.26kgf 0.41mm -

911.30kgf 1.09mm -

972.87kgf 1.50mm -

1034.45kgf 1.77mm -

1126.81kgf 2.32mm -

1234.57kgf 3.14mm -

1280.75kgf 3.69mm -

1319.23kgf 4.50mm -


1319.23kgf 5.87mm -

1280.75kgf 7.23mm -

1126.81kgf 8.30mm -


10

7.2.5. SAE1045

Tabla 5. Fuerza/desplazamiento en el SAE1045.


0.00kgf 0.00mm -

805.88kgf 0.06mm -

952.94kgf 0.26mm -

1247.06kgf 0.39mm -

1541.18kgf 0.51mm -

1688.24kgf 0.77mm -

1835.29kgf 1.03mm -

1982.35kgf 1.28mm -

2276.47kgf 1.80mm -

2482.35kgf 2.57mm -

2570.59kgf 3.08mm -


2570.59kgf 4.36mm -

2482.35kgf 5.13mm -

2423.53kgf 5.39mm -


7.3. Datos calculados en base a las tablas 1-5 y condiciones de longitud inicial.

7.3.1. Aluminio

Tabla 6. Esfuerzos y deformaciones unitarias en el aluminio.

σing (kgf/mm²) ξing(mm/mm) σreal (kgf/mm²) ξreal (mm/mm)

0.00 0.00 0.00 0.00

16.56 0.01 16.71 0.01

19.11 0.02 19.44 0.02

21.66 0.03 22.23 0.03

22.42 0.03 23.21 0.03

22.93 0.07 24.53 0.07

23.19 0.09 25.21 0.08

22.93 0.10 25.34 0.10

21.66 0.14 24.69 0.13

19.11 0.17 22.45 0.16

11

7.3.2. Cobre

Tabla 7. Esfuerzos y deformaciones unitarias en el cobre.


0.00 0.00 0.00 0.00

35.53 0.03 36.65 0.03

35.28 0.04 36.67 0.04

33.84 0.05 35.63 0.05

32.40 0.07 34.55 0.06

30.81 0.08 33.21 0.08

29.32 0.09 32.01 0.09

24.85 0.12 27.71 0.11

24.25 0.12 27.17 0.11

23.75 0.13 26.80 0.12

22.36 0.14 25.58 0.13

7.3.3. Bronce

Tabla 8. Esfuerzos y deformaciones unitarias en el bronce.


0.00 0.00 0.00 0.00

0.33 0.01 0.34 0.01

0.67 0.02 0.68 0.02

3.06 0.03 3.14 0.03

38.94 0.05 40.88 0.05

42.04 0.06 44.50 0.06

43.00 0.06 45.72 0.06

45.39 0.07 48.64 0.07

47.78 0.09 52.00 0.08

49.11 0.09 53.62 0.09

51.45 0.12 57.46 0.11

52.17 0.13 59.13 0.13

53.03 0.18 62.31 0.16

52.17 0.20 62.61 0.18

12

7.3.4. SAE1010

Tabla 9. Esfuerzos y deformaciones unitarias en el SAE1010.


0.00 0.00 0.00 0.00

1.79 0.02 1.82 0.02

33.16 0.04 34.59 0.04

35.40 0.06 37.50 0.06

37.65 0.07 40.28 0.07

41.01 0.09 44.75 0.09

44.93 0.12 50.48 0.12

46.61 0.15 53.37 0.14

48.01 0.18 56.52 0.16

48.04 0.21 58.11 0.19

48.01 0.23 59.10 0.21

46.61 0.28 59.88 0.25

41.01 0.33 54.41 0.28

38.77 0.34 51.89 0.29

7.3.5. SAE1045

Tabla 10. Esfuerzos y deformaciones unitarias en el SAE1045.


0.00 0.00 0.00 0.00

25.61 0.00 25.67 0.00

30.28 0.01 30.59 0.01

39.63 0.02 40.23 0.02

48.97 0.02 49.96 0.02

53.65 0.03 55.27 0.03

58.32 0.04 60.68 0.04

62.99 0.05 66.17 0.05

72.34 0.07 77.45 0.07

78.88 0.10 86.85 0.10

81.68 0.12 91.59 0.11

82.62 0.14 94.10 0.13

81.68 0.17 95.72 0.16

78.88 0.20 94.82 0.18

77.01 0.21 93.35 0.19

74.11 0.24 92.09 0.22

13

7.4. Gráficas obtenidas mediante los puntos tabulados de las tablas 6-10.

7.4.1. Aluminio

7.4.2. Cobre

Figura 12. Esfuerzo/deformación real vs ingenieril en el aluminio. (Realizado con

Autocad 2015-Student Version)

Figura13. Esfuerzo/deformación real vs ingenieril en el cobre. (Realizado con


14

7.4.3. Bronce

7.4.4. SAE1010

Figura 14. Esfuerzo/deformación real vs ingenieril en el bronce. (Realizado con


Figura 15. Esfuerzo/deformación real vs ingenieril en el SAE1010. (Realizado con


15

7.4.5. SAE1045

7.5. A partir de las gráficas mostradas en las figuras 12-16, se pueden calcular valores de propiedades mecánicas que se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 11. Módulos de elasticidad, resiliencia, tenacidad y porcentaje de estricción experimentales en los materiales.

Material E (kgf/mm²) R (kgf/mm²) T (kgf/mm²) %ѱ (mm²/mm²)

Aluminio 0.0287 1.68 24.78 45.19

Cobre 0.0142 6.64 30.59 51.75

Bronce 0.0256 5.91 47.98 19.41

SAE1010 0.0296 3.99 53.78 51.82

SAE1045 0.1970 1.84 88.62 37.96

7.6. Tabla de resumen

Tabla 12. Resumen de los datos hallados en el presente informe

Material σf (kgf/mm²) σmax (kgf/mm²) σrot (kgf/mm²)

Aluminio 20.54 23.19 19.11

Cobre 30.97 35.53 22.36

Bronce 49.60 53.03 52.17

SAE1010 33.48 48.04 38.77

SAE1045 52.11 82.62 74.11

Figura 16. Esfuerzo/deformación real vs ingenieril en el SAE1045. (Realizado con


16

7.7. Podemos visualizar mejor los datos obtenidos en el siguiente gráfico comparativo:

8. Conclusiones

Se concluye de las tablas 1-10 que tal como se suponía, las gráficas de carga/deformación y de esfuerzo/deformación unitaria real son similares, pues sus pares ordenados son proporcionales, aunque en diferentes constantes, por lo que la gráfica se puede ensanchar o alargar.

Se concluye de la observación de la tabla de resumen y de las propiedades de los materiales usados que nuestros datos en el caso del aluminio, SAE1010 y SAE1045 pueden mostrarnos que han sido modificados ligeramente y sus propiedades han aumentado muy poco. El error en caso que hubiesen sido puros sería de una media de 15.95%, 11.6% y 1.7% respectivamente. En los casos del cobre y bronce, los datos probablemente han sido correctos, pues en el cobre existe un error de 0.6% y en el bronce existe un rango dependiendo de la aleación, por lo cual nuestros datos obtenidos nos podrían ayudar a determinar el material específico que se utilizó en este caso.

Se concluye que la gráfica de esfuerzo real toma otro rumbo, por lo cual se nota que aporta diferentes datos, que quizá en ciertas condiciones necesiten ser tomados en cuenta.

Se concluye que el ensayo de tracción nos brinda una gran cantidad de datos respecto al material estudiado. Ergo es necesario y por ello de gran uso en el campo industrial.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

σf (kgf/mm²) σmax (kgf/mm²) σrot (kgf/mm²) ξ Rotura %ѱ

Aluminio Cobre Bronce SAE1010 SAE1045

Figura 17. Gráfico comparativo de ciertas propiedades mecánicas en los materiales ensayados.

17

9. Observaciones

Se observa que el cuidado en este tipo de ensayos es importante, se debe realizar de manera estructurada, pues realizar las mediciones iniciales incorrectamente desataría una serie de datos erróneos.

Se observa que no es necesario trabajar con medidas normalizadas, sin embargo, trabajar con estas facilita el trabajo realizado y optimiza el análisis.

Se observa que los materiales empleados tienen propiedades diversas, lo cual se observa en las gráficas obtenidas, en el comportamiento de fluencia experimental, y en los valores representativos del ensayo de tracción.

Se observó en el laboratorio que en algunos casos la resistencia de un material puede retrasar el fin del experimento he incluso podría superar la gama de cargas que tiene el equipo usado. También se observa que en estos casos, el cuerpo desprende calor.

Se observa que los cálculos realizados en el presente informe podrían automatizarse programando un software, lo cual simplificaría y sofisticaría el ensayo de laboratorio.

10. Anexos

10.1. Anexo1. Tabla de datos de laboratorio

Tabla 13. Datos iniciales y finales que se usaron en los cálculos de las tablas anteriores.

Material Diámetro 0 Longitud 0 Fza fluencia Carga máx. Diametro f Longitud f Fza rotura

Aluminio 6.20mm 25.40mm 620kgf 700kgf 4.04mm 29.84mm -

Cobre 6.25mm 25.40mm 950kgf 1090kgf 3.65mm 29.06mm 600kgf

Bronce 6.12mm 25.40mm - 1560kgf 5.31mm 30.48mm -

SAE 1010 5.92mm 25.40mm 920kgf 1320kgf 3.45mm 34.00mm 1000kgf

SA1045 6.33mm 25.40mm 1640kgf 2600kgf 4.55mm 31.56mm -

10.2 Anexo2. Normalizaciones de la ASTM E8

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