Ensayos de Tracción

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3-12-2016 ENSAYOS DE TRACCIÓN CIENCIA DE MATERIALES Miguel García Alonso Grado en Ingeniería Mecánica

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ENSAYOS DE TRACCIÓN

CIENCIA DE MATERIALES

Miguel García Alonso

Grado en Ingeniería Mecánica

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OBJETIVOS

En esta práctica vamos a comprobar las características mecánicas de un acero al

carbono a partir de un ensayo de tracción.

El 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 misma.

Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada

lentamente. Las velocidades de deformación en un ensayo de tensión suelen ser muy

pequeñas.

En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los

materiales elásticos:

Módulo de elasticidad o Módulo de Young, que cuantifica la proporcionalidad

anterior. Es el resultado de dividir la tensión por la deformación unitaria, dentro de

la región elástica de un diagrama esfuerzo-deformación.

Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razón entre el alargamiento longitudinal

y el acortamiento de las longitudes transversales a la dirección de la fuerza.

Límite de proporcionalidad: valor de la tensión por debajo de la cual el

alargamiento es proporcional a la carga aplicada.

Límite de fluencia o límite elástico aparente: valor de la tensión que soporta la

probeta 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.

Límite elástico (límite elástico convencional o práctico): valor de la tensión a la

que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.) en

función del extensómetro empleado. Es la máxima tensión aplicable sin que se

produzcan deformaciones permanentes en el material.

Carga de rotura o resistencia a tracción: carga máxima resistida por la probeta

dividida por la sección inicial de la probeta.

Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la probeta. Se

mide entre dos puntos cuya posición está normalizada y se expresa en tanto por

ciento.

Longitud calibrada: es la longitud inicial de la parte de una probeta sobre la que

se determina la deformación unitaria o el cambio de longitud y el alargamiento

(este último se mide con un extensómetro).

Reducción de área y estricción: La reducción de área de la sección transversal

es la diferencia entre el valor del área transversal inicial de una probeta de tensión

y el área de su sección transversal mínima después de la prueba. En el rango

elástico de tensiones y deformaciones en área se reduce en una proporción dada

por el módulo de Poisson.

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MATERIALES

La máquina con la que vamos a realizar el ensayo es la máquina universal. La

máquina universal es una máquina semejante a una prensa con la que es posible

someter materiales a ensayos de tracción y compresión para medir sus propiedades.

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

sistema hidráulico. Esta máquina es ampliamente utilizada en la caracterización de

nuevos materiales.

En este ensayo vamos a utilizar dos probetas, ambas de acero F-114(C45), una de

forma cilíndrica y la otra de forma plana.

Vamos a utilizar también un calibre para tomar las diferentes medidas de las probetas

antes y después de realizar los ensayos.

REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA:

PROBETA CILÍNDRICA:

Las probetas son normalmente barras de sección regular y constante y, normalmente,

tienen una forma circular. Sus extremidades son de mayor sección para poder ser

fijadas a la máquina de tracción.

En las probetas se hacen dos marcas con un rotulador y se mide la longitud que hay

entre ellas con el calibre. También es necesario para el ensayo tomar medidas de la

sección de la probeta.

Tras realizar las mediciones antes mencionadas obtenemos lo siguiente:

L = 98mm

∅ = 10mm

𝐿0 = 𝑘 ∗ √𝑆 = 8,16 ∗ √𝜋 ∗ 𝑟02 = 8,16 ∗ √𝜋 ∗ 52 = 72,32

𝑆𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙 =𝐿 − 𝐿0

2=

98 − 72,32

2= 12,84𝑚𝑚

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Una vez realizadas las siguientes medidas dividiremos la probeta en doce partes

iguales por si la probeta no rompiera en su parte central. (N=12)

Una vez este la probeta dividida en doce partes iguales la colocaremos en la máquina

universal de tracción y la prepararemos para poder realizar nuestro ensayo.

Colocaremos el papel milimetrado en el tambor, ajustando la velocidad de la máquina

a 35mm/min y fijaremos bien la probeta en la máquina utilizando los discos de ajuste.

Arrancaremos la máquina y veremos como la probeta se va alargando y deformando

hasta llegar a romperse. Cuando esta rompa, anotaremos la carga máxima.

La carga máxima de nuestro ensayo ha sido de 3650kp

.

Para calcular el alargamiento en una probeta que no ha roto por el tercio centra

hacemos lo siguiente:

Nos fijaremos por donde ha roto la probeta, en nuestro caso ha roto fuera del tercio

central de la misma, cogemos la menor distancia desde donde se ha roto hasta el

punto de calibración A, llevamos esa distancia al otro lado obteniendo B, contamos el

número de divisiones entre A y B (n).

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Con n podemos saber si el tipo de rotura es par o impar:

𝑇𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎 = 𝑁 − 𝑛 = 12 − 3 = 9

La rotura es impar.

Alargamiento:

∆𝐿 =𝑑𝑥𝑦 + 𝑑𝑦𝑧′ + 𝑑𝑦𝑧′′ − 𝐿0

𝐿0∗ 100 =

25,17 + 33,5 + 40 − 72,32

72,32∗ 100 = 36,43%

Resistencia mecánica:

𝑅𝑇 =𝐹𝑀𝐴𝑋

𝑆𝐼𝑁𝐼𝐶𝐼𝐴𝐿=

3650

𝜋 ∗ 52 = 46,47 𝑘𝑝/𝑚𝑚2

Límite elástico:

𝑒𝑔𝑦 =𝐹𝑅𝑒𝑎𝑙(𝑘𝑝)

𝐹𝐺𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑎 (𝑚𝑚)=

3650

44= 82,95 𝑘𝑝/𝑚𝑚

𝐿. 𝐸 = 𝑑𝐵 𝐺𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑎 ∗ 𝑒𝑔𝑦 = 40 ∗3650

44= 3318,18 𝑘𝑝

Módulo de elasticidad:

𝑒𝑔𝑥 =∆𝐿𝐹 𝑟𝑒𝑎𝑙

∆𝐿𝐹 𝑔𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑜𝑠=

86,9 − 72,3

21= 0,69 𝑘𝑝/𝑚𝑚

∆𝐿𝐴 = 2𝑚𝑚 ∗ 𝑒𝑔𝑥𝑚𝑚 = 2 ∗ 0,69 = 1,38 𝑚𝑚

𝐹𝐴 = 𝐷𝐴 𝑔𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑎 ∗ 𝑒𝑔𝑦𝑚𝑚 = 30 ∗ 82,95 = 2488,5 𝑘𝑝

𝐸 =

𝐹𝐴𝑆0

∆𝐿𝐴𝐿0

=

2488,5𝜋 ∗ 52

1,3872,32

= 1660,45 𝑘𝑝/𝑚𝑚2

Tensión de fractura:

𝑅𝐹 = 𝑑𝑓𝑔𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑎 ∗ 𝑒𝑔𝑦 = 42 ∗ 82,95 = 3483,9 𝑘𝑝

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Sección final:

𝑟′ = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑢é𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎

𝑆𝐹 = 𝜋 ∗ 𝑟′2 = 𝜋 ∗ 3,3452 = 35,15 𝑚𝑚2

Estricción:

𝑍 =𝑆0−𝑆𝑓

𝑆0∗ 100 =

𝜋 ∗ 52 − 𝜋 ∗ 3,3452

𝜋 ∗ 52 ∗ 100 = 55,24%

PROBETA PLANA:

Prepararemos este ensayo siguiendo los mismos pasos que hemos seguido en el

ensayo anterior pero, en lugar de calcular la sección circular de la probeta,

calcularemos su grosor y su anchura.

𝐿 = 100 𝑚𝑚 𝑒 = 2,1 𝑚𝑚

𝐿0 = 80 𝑚𝑚 𝑏 = 20 𝑚𝑚

“b” es la altura, “e” es el espesor y “𝐿0” la distancia entre las marcas.

Calcularemos la distancia entre la cabeza de la probeta plana y 𝐿0 a lo que

denominaremos “separación lateral”.

𝑆𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙 =𝐿 − 𝐿0

2=

100 − 80

2= 10 𝑚𝑚

Como hemos hecho en el ensayo anterior, dividiremos 𝐿0 en diez partes iguales y la

colocaremos en la máquina universal realizando los ajustes previos al ensayo.

Una vez realizado el ensayo anotamos la fuerza que marcaba el medidor de la

máquina en el momento de la rotura. La fuerza anotada es de 625kp.

A partir de aquí realizaremos los mismos cálculos que en el ensayo con la probeta

cilíndrica.

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𝑇𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎 = 𝑁 − 𝑛 = 10 − 4 = 6

La rotura es par.

Alargamiento:

𝐿′0 = 101,65 𝑚𝑚

∆𝐿 =𝐿′0 − 𝐿0

𝐿0∗ 100 =

101,68 − 80

80∗ 100 = 27,1%

Resistencia mecánica:

𝑅𝑇 =𝐹𝑀𝐴𝑋

𝑆𝐼𝑁𝐼𝐶𝐼𝐴𝐿=

525

2,1 ∗ 20= 12,5 𝑘𝑝/𝑚𝑚2

Límite elástico:

𝑒𝑔𝑦 =𝐹𝑅𝑒𝑎𝑙(𝑘𝑝)

𝐹𝐺𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑎 (𝑚𝑚)=

525

7= 75 𝑘𝑝/𝑚𝑚

𝐿. 𝐸 = 𝑑𝐵 𝐺𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑎 ∗ 𝑒𝑔𝑦 = 5 ∗525

7= 375 𝑘𝑝

Módulo de elasticidad:

𝑒𝑔𝑥 =∆𝐿𝐹 𝑟𝑒𝑎𝑙

∆𝐿𝐹 𝑔𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑜𝑠=

101,68 − 80

21= 1,03 𝑘𝑝/𝑚𝑚

∆𝐿𝐴 = 2𝑚𝑚 ∗ 𝑒𝑔𝑥𝑚𝑚 = 2 ∗ 1,03 = 2,065 𝑚𝑚

𝐹𝐴 = 𝐷𝐴 𝑔𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑎 ∗ 𝑒𝑔𝑦𝑚𝑚 = 3 ∗ 75 = 225 𝑘𝑝

𝐸 =

𝐹𝐴𝑆0

∆𝐿𝐴𝐿0

=

2252 ∗ 202,065

80

= 217,92 𝑘𝑝/𝑚𝑚2

Tensión de fractura:

𝑅𝐹 = 𝑑𝑓𝑔𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑎 ∗ 𝑒𝑔𝑦 = 5 ∗ 75 = 375 𝑘𝑝

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OBJETIVOS:

Los objetivos son exactamente iguales que los del ensayo anterior. La única diferencia

es que, para la realización de este ensayo, utilizaremos una máquina electrónica en

lugar de la máquina universal.

Los datos obtenidos mediante la máquina electrónica son mucho más precisos ya que

se puede ajustar la relación tiempo y esfuerzo aplicado de forma mucho más

satisfactoria.

REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA:

Lo primero de todo será colocar la probeta entre las mordazas del equipo. Los ajustes

previos a la aplicación de la carga sobre la probeta se llevan a cabo de manera

electrónica. Cuando la probeta este ajustada correctamente y su posición sea

simétrica en ambas partes podremos aplicar la carga de tensión hasta lograr su rotura.

La máquina nos proporcionará una gráfica que nos mostrará los valores numéricos de

la carga de rotura, carga elástica, deformación máxima, rigidez, tiempo de rotura,

tiempo de ensayo…

Alargamiento:

𝐿′0 = 112 𝑚𝑚

∆𝐿 =𝐿′0 − 𝐿0

𝐿0∗ 100 =

112 − 80

80∗ 100 = 40%

Resistencia mecánica:

𝑅𝑇 =𝐹𝑀𝐴𝑋

𝑆𝐼𝑁𝐼𝐶𝐼𝐴𝐿=

1826

1,5 ∗ 20= 60,8 𝑘𝑝/𝑚𝑚2

Límite elástico:

𝐿. 𝐸. = 1537 𝑘𝑝

Módulo de elasticidad:

𝐸 =

𝜎𝐴𝑆0

∆𝐿0

𝐿0

=

18261,5 ∗ 20

23,380

= 208,98 𝑘𝑝/𝑚𝑚2

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nforrne de fcnsavo de i racción - Compresión [B]

x^n v — - oc.ü.P. Logroño

Fondos de escala de los canales analógicos:

Fuerza: 25.000 1 Posición: 90.000 mm Auxiliar 1: 50.000 mm Auxiliar 2: 2.0000 mm

Keferencias: Parámetros:

Fecha: 25/10/2012 Sentido: TracciónProbeta: F-1 15 agua Límite superior: 60rOO %

Límite inferior: 20,00 %Parámetro control: FuerzaVelocidad: 00,300 t/sParámetro destino: FuerzaDestino relativo: 25,000 1

Nombre de archivo: Probeta__rotura

Carga de rotura: 01,826t ~ff,537 t

1 Deformación máxima: 14J19 mmRigidez: 1,502t/mm

j Tiempo de rotura: 8,882 si Tiempo de ensayo: 9,697 s

Carga slástica:

i-02,175 mm Posición +23,965 mm

c/U

L, --*(i* <. ;

T^CA .

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