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Abstract— Realizar los ensayos de compresión en diferentes materiales y obtener sus características y propiedades mecánicas, así como observar el comportamiento esfuerzo- deformación en cada material es fundamental en el momento de analizar el tipo de materiales que usaremos para el diseño de una estructura mecánica. Para el laboratorio analizamos el comportamiento de una varilla de acero y una probeta de madera.

I. INTRODUCTION

En el siguiente laboratorio vamos a experimentar con fuerzas aplicadas por medio de una maquina universal sobre una probeta de acero 1020 y otra de madera. Muchos materiales cuando están en servicio están sujetos a fuerzas o cargas. En tales condiciones es necesario conocer las características del material para diseñar el instrumento donde va a usarse de tal forma que los esfuerzos a los que vaya a estar sometido no sean excesivos y el material no se fracture. El comportamiento mecánico de un material es el reflejo de la relación entre su respuesta o deformación ante una fuerza o carga aplicada.

Es por esto que nos dimos a la tarea de hacer un análisis profundo acerca de una serie de propiedades físicas de los materiales mencionados, teniendo en cuenta unos protocolos que se usan para este tipo de experimentos y algunos conceptos básicos que nos llevarían a determinar experimentalmente algunas propiedades ya establecidas para estos materiales.

II. MARCO TEORICO

Para tener una mejor comprensión acerca de lo que se va a experimentar se hace necesario tener en cuenta unos conceptos básicos como son:

Tensión. Consideremos una varilla cilíndrica de longitud lo y una sección transversal de área Ao sometida a una fuerza de tensión uniaxial F, como se muestra en la figura 1.

Figura 1.a) Barra antes de aplicarle la fuerza b) Barra sometida a una fuerza de tensión uniaxial F que alarga la barra de longitud lo a l.

Por definición, la tensión s en la barra es igual al cociente entre la fuerza de tensión uniaxial media F y la sección transversal original Ao de la barra.

Deformación o alargamiento: Cuando se aplica a una barra una fuerza de tensión uniaxial, tal como se muestra en la figura 1, se produce una elongación de la varilla en la dirección de la fuerza. Tal desplazamiento se llama deformación. Por definición, la deformación originada por la acción de una fuerza de tensión uniaxial sobre una muestra metálica, es el cociente entre el cambio de longitud de la muestra en la dirección de la fuerza y la longitud original.

Donde: L es la longitud después de la acción de la fuerzalo es la longitud inicial de la pieza

Normalmente la deformación se determina mediante el uso de una pequeña longitud, normalmente de 2 pulgadas, que se denomina longitud de calibración, dentro de una muestra más larga, por ejemplo de 8 pulgadas.Como puede deducirse de la fórmula, la deformación es una magnitud adimensional. En la práctica, es común convertir la

ENSAYO DE TRACCION DE MATERIALES (NOV 2009)

Rubén Darío Martínez cód.: 0743073----Julián Andrés Neira cód.: 0930307---Andrés Felipe Mosquera Marín cod: 0834982 ---Jhon Pablo Hincapié cód.: 0844988--Orrego Gonzalez

Alejandro cod 0643416

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deformación en un porcentaje de deformación o porcentaje de elongación:

% deformación = deformación ´100% = % elongación

Deformación elástica y plástica:

Cuando una pieza se somete a una fuerza de tensión uniaxial, se produce una deformación del material. Si el material vuelve a sus dimensiones originales cuando la fuerza cesa se dice que el material ha sufrido una DEFORMACIÓN ELASTICA. El número de deformaciones elásticas en un material es limitado ya que aquí los átomos del material son desplazados de su posición original, pero no hasta el extremo de que tomen nuevas posiciones fijas. Así cuando la fuerza cesa, los átomos vuelven a sus posiciones originales y el material adquiere su forma original.Si el material es deformado hasta el punto que los átomos no pueden recuperar sus posiciones originales, se dice que ha experimentado una DEFORMACIÓN PLASTICA.

Ensayo de tensión i diagrama de tensión – deformación:

El ensayo de tensión se utiliza para evaluar varias propiedades mecánicas de los materiales que son importantes en el diseño, dentro de las cuales se destaca la resistencia, en particular, de metales y aleaciones.En este ensayo la muestra se deforma usualmente hasta la fractura incrementando gradualmente una tensión que se aplica uniaxialmente a lo largo del eje longitudinal de la muestra. Las muestras normalmente tienen sección transversal circular, aunque también se usan especimenes rectangulares. (Figura 2). Durante la tensión, la deformación se concentra en la región central más estrecha, la cual tiene una sección transversal uniforme a lo largo de su longitud. La muestra se sostiene por sus extremos en la máquina por medio de soportes o mordazas que a su vez someten la muestra a tensión a una velocidad constante. La máquina al mismo tiempo mide la carga aplicada instantáneamente y la elongación resultante (usando un extensiómetro). Un ensayo de tensión normalmente dura pocos minutos y es un ensayo destructivo, ya que la muestra es deformada permanentemente y usualmente fracturada.

Figura 2. Muestra típica de sección circular para el ensayo de tensión - deformación

Figura 3. Ensayo tensión – deformación

Sobre un papel de registro, se consignan los datos de la fuerza (carga) aplicada a la muestra que está siendo ensayada así como la deformación que se puede obtener a partir de la señal de un extensiómetro. Los datos de la fuerza pueden convertirse en datos de tensión y así construirse una gráfica tensión – deformación, como la que se observa en la figura 4.

Figura 4. Gráfica típica tensión vs deformación

Las propiedades mecánicas que son de importancia en ingeniería y que pueden deducirse del ensayo tensión – deformación son las siguientes:

1. Módulo de elasticidad2. Límite elástico a 0.2%3. Resistencia máxima a la tensión4. Porcentaje de elongación a la fractura5. Porcentaje de reducción en el área de fractura

1. Módulo de elasticidad:

En la primera parte del ensayo de tensión, el material se deforma elásticamente, o sea que si se elimina la carta sobre la muestra, volverá a su longitud inicial. Para metales, la

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máxima deformación elástica es usualmente menor a un 0.5%. En general, los metales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión y la deformación en la región elástica en un diagrama tensión – deformación que se describe mediante la ley de Hooke:

donde, E es el módulo de elasticidad o módulo de Youngs es el esfuerzo o tensiónx es la deformación

El módulo de Young tiene una íntima relación con la fuerza de enlace entre los átomos en un material. Los materiales con un módulo elástico alto son relativamente rígidos y no se deforman fácilmente.Nótese que en la región elástica del diagrama tensión – deformación el módulo deelasticidad no cambia al aumentar la tensión

2. Límite elástico:

Es la tensión a la cual un material muestra deformación plástica significativa. Debido a que no hay un punto definido en la curva de tensión – deformación donde acabe la deformación elástica y se presente la deformación plástica se elige el límite elástico cuando tiene lugar un 0.2% de deformación plástica, como se indica en la figura 4.

El límite elástico al 0.2% también se denomina esfuerzo de fluencia convencional a 0.2%. Para determinarlo se procede así:Inicialmente se dibuja una línea paralela a la parte elástica (lineal) de la gráfica tensión – deformación a una deformación de 0.002 (m/m ó pulga/pulga).En el punto donde la línea intercepta con la parte superior de la curva tensión –Deformación, se dibuja una línea horizontal hasta el eje de tensión.El esfuerzo de fluencia convencional a un 0.2% es la tensión a la que la línea horizontal intercepta con el eje de tensión.Debe aclararse que el 0.2% se elige arbitrariamente y podría haberse elegido otra cantidad pequeña de deformación permanente.

Figura 5. Obtención del límite elástico al 0.2%

3. Resistencia máxima a la tensión

La resistencia máxima a la tensión es la tensión máxima alcanzada en la curva de tensión – deformación. Si la muestra desarrolla un decrecimiento localizado en su sección (un estrangulamiento de su sección antes de la rotura), la tensión decrecerá al aumentar la deformación hasta que ocurra la fractura puesto que la tensión se determina usando la sección inicial de la muestra. Mientras más dúctil sea el metal, mayor será el decrecimiento en la tensión en la curva tensión-deformación después de la tensión máxima.La resistencia máxima a la tensión de un material se determina dibujando una línea horizontal desde el punto máximo de la curva tensión – deformación hasta el eje de las tensiones (punto TS en la figura 5). La tensión a la que la línea intercepta al eje de tensión se denomina resistencia máxima a la tensión, o a veces simplemente resistencia a la tensión o tensión de fractura.

4. Porcentaje de elongación (estiramiento):

La cantidad de elongación que presenta una muestra bajo tensión durante un ensayo proporciona un valor de la ductilidad de un material. La ductilidad de los materiales comúnmente se expresa como porcentaje de la elongación, comenzando con una longitud de calibración usualmente de 2 pulgas (5,1 cm). En general, a mayor ductilidad (más deformable es el metal), mayor será el porcentaje de la elongación.

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El porcentaje de elongación de una muestra después de la fractura puede medirse juntando la muestra fracturada y midiendo longitud final con un calibrador. El porcentaje de elongación puede calcularse mediante la ecuación:

Este valor es importante en ingeniería no solo porque es una medida de la ductilidad del material, sino también porque da una idea acerca de la calidad del mismo. En caso de que haya porosidad o inclusiones en el material o si ha ocurrido algún daño por un sobrecalentamiento del mismo, el porcentaje de elongación de la muestra puede decrecer por debajo de lo normal

5. Porcentaje de reducción en área:

Este parámetro también da una idea acerca de la ductilidad del material. Esta cantidad se obtiene del ensayo de tensión utilizando una muestra de 0.5 pulgadas (12.7mm) de diámetro. Después de la prueba, se mide el diámetro de la sección al fracturar. Utilizando la medida de los diámetros inicial y final, puede determinarse el porcentaje de reducción en el área a partir de la ecuación:

Tensión real – Deformación real

La tensión se calcula dividiendo la fuerza aplicada F sobre una muestra a la que se aplica un ensayo de tensión por el área inicial Ao. Puesto que el área de la sección de la muestra bajo el ensayo cambia continuamente durante el ensayo de tensión, el cálculo de esta no es preciso. Durante el ensayo de tensión, después de que ocurra el estrangulamiento de la muestra, la tensión decrece al aumentar la deformación, llegando a una tensión máxima en la curva de tensión – deformación. Por ello, una vez que comienza el estrangulamiento durante el ensayo de tensión, la tensión real es mayor que tensión en ingeniería. Es posibledefinir la tensión real y la deformación real como sigue:

Donde F es la fuerza uniaxial media sobre la muestra de ensayoAi es el área de muestra de sección mínima en un instante

Donde lo es la longitud de calibración de la muestraLi es la longitud entre las calibraciones durante el ensayo

Si asumimos un volumen constante de la longitud de calibración por la sección de la muestra durante el ensayo entonces:

Los ingenieros normalmente no utilizan cálculos basados en tensión real, en su lugar se utiliza el esfuerzo de fluencia convencional al 0,2% para diseños de estructura con los factores de seguridad apropiados. En investigación de materiales, algunas veces puede ser útil conocer la curva de tensión real – deformación real.

FOTOGRAFIA DE LAS MUESTRAS LUEGO DE LA RUPTURA.

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III. PROCEDIMIENTO

Desarrollo del laboratorio para la varilla.

-Varilla de acero 1020 lisa con corrosión de diámetro 6.6mm y de longitud 15 cm.-Probeta de madera tipo hueso con las especificaciones de la guía.

Procedimientos seguidos para la prueba en la varilla de acero.Nota:La varilla de acero se encontraba con la superficie cubierta de corrosión.Primero se tomaron las medidas de diámetro de la varilla, luego se instalo la varilla en la maquina y se tomo la medida inicial. Después de esto se procedió a calibrar la velocidad en la maquina universal de 10 m-pul, velocidad con la cual se iba ha ejercer la fuerza.Datos iníciales.

Largo 65 mm. Diámetro 6.2mm. Velocidad de la maquina V=8mm/min

Terminado esto se procedió a distribuir las labores dentro de los integrantes del grupo, Una persona se encargo de mirar el indicador de estiramiento, otro del indicador de fuerza y otro de anotar los datos.Desarrollo del laboratorio.Los datos para esta prueba fueron tomados cada 5 milésimas de milímetro, donde cada 5 milésimas de milímetro se tomaba la fuerza que estaba determinada en newton.Se tomaron 36 de valores de la fuerza ejercida donde pudimos notar que existió un máximo y que durante un tiempo el estiramiento de la varilla se comporto como elástico y luego como plástico.Después de terminar la prueba se midió cuanto se había estirado la varilla, su diámetro en el cuello, el cual tuvo en valor de 5,1 mm.

Datos finales. Largo 66.899 mm. Diámetro 4.22mm. Velocidad de la maquina V=8mm/min

Desarrollo del laboratorio para la madera

El ensayo de tracción para la madera consistió en someter una madera conseguida por nosotros los estudiantes de tercer semestre de ingeniería mecánica a un esfuerzo axial de tracción hasta el momentos en que dicho material presentara rotura. El objetivo del ensayo con la madera consistió determinar la

resistencia de dicho material a la fuerza estática aplicada lentamente, analizar los modulo de elasticidad, los coeficientes y hasta los limites. Estas magnitudes presentan una velocidad de aplicación la cual se especifica mas adelante.

PROCEDIMIENTO que se llevo cabo

Antes de someter dicha carga en la máquina universal, determinamos las dimensiones iniciales, 17cm de largo x 2 cm de ancho. Enseguida y después de cerciorarse el monitor de que las superficies de los extremos de las probeta así como las caras de los bloques de apoyo estén completamente libres de grasa, aceite o cualquier otra clase de partículas que pudieran influir en la restricción friccionar de las superficies de los extremos, se coloca la probeta en la máquina, el monitor tubo mucho cuidado para lograr el centrado, la alineación de la probeta de madera y de los platos de apoyo (o de compresión) en la máquina, se bajó el cabezal fijo de la máquina hasta hizo contacto con los platos de apoyo y en seguida tomamos lecturas de carga contra deformación o desplazamiento medido por el (extensómetro desplazamiento) y se procedió a aplicar la carga con una velocidad conveniente al material de que se trate, en este caso madera.

Análisis de práctica en el laboratorio.

Para realizar la tracción con la madera tuvimos en cuenta que la practica y el material cumpliera con las siguientes características:

1. La Madera fuese homogénea.2. La carga se aplicara axialmente.3. La sección longitudinal sea una recta.4. Que se comporte puramente de tracción.5. La velocidad fuese constante.6. Los extremos de compresión de la probeta debían ser

planos.

Fallas

Desafortunadamente ya en la realización de la practica la condición número 3 y numero 6 no fueron los ideales. Se comenta esta observación debido a que en el momento de la practica la probeta de madera presento rotura en la parte superior donde van sujetas la mordazas del la máquina o los platos de la máquina.

La madera que conseguimos para esta práctica no fue precisamente de pino tipo hueso como se especificaba en la guía, (eso se debe a la deshonestidad del carpintero quien vendió dicha madera). Investigando descubrimos que la

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madera que nos vendieron se llama Eucalipto la cual se caracteriza por se una madera blanda y liviana. Usada en la construcción para trabajos de tiranteña, techos y encofrados. Es por ello que la practica presento fallas porque el material no resistió demasiado al tracción y presento una rotura en le lugar donde va sujeto los platos o las mordazas de la maquina universal. En dicha práctica la madera presento una fractura.

Para los materiales como estos en muy complejo observar este fenómeno, la carga última o máxima que se aplico a la probeta se hizo a criterio del monitor que realizaba el ensayo y es por ello que las medidas se realizaron a la mitad de la escala sugerida. En La figura .1 y fractura 2 se muestra la fractura.

Datos iníciales. Largo 17 cm. Ancho 0.5 cm. Velocidad de la maquina V=5mm/pul

Datos finales. Largo 17.199 cm. Ancho 0.49 cm.

IV. PROCEDIMIENTO

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Análisis para acero y maderaLo=65mm , V=8mm/min , D=6.2mm , A=30.2 mm²

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σfl= 486.42 Mpa , σmax= 515.23 Mpa , σultimo= 325.17 Mpa E= 75.92 mpa εf= 9.75% Los datos de arriba son los obtenidos del experimento DATOS BAJADOS DE UNA PÁGINA:σfl= 205 Mpa , σmax= 380 Mpa , E= 205 Gpa εf= 25% datos por la ASI-SAE 1020 (UNS G10200)

V. CONCLUSION

El ensayo de tracción para la varilla y la madera consistió en someter estos materiales conseguida por nosotros los estudiantes de tercer semestre de ingeniería mecánica a un esfuerzo axial de tracción hasta el momento en que dicho material presentara rotura. El objetivo del ensayo con los materiales consistió determinar la resistencia de dicho

materiales a la fuerza estática aplicada lentamente, analizar los modulo de elasticidad, los coeficientes y hasta los limites.

REFERENCIAS

CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES. - 3ED.LIBROS/MONOGRAFIAS AUTOR(ES) ASKELAND, DONALD R. (AUTOR) PUBLICACIÓN MÉXICO : INTERNATIONAL THOMSON, 1998DESCRIPCIÓN FÍSICA 790P.

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