Universidad de Chile

Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas

Departamento de Ciencia de los Materiales

Informe de Ciencia de los Materiales Código Curso: CM3201

Informe N° 3 Nombre del Informe: “Ensayos de tracción en diferentes materiales”

Nombre Alumno: Jaime Rovegno C. Grupo: 2 Sección: 1 Ayudante: Cristobal Lastra Fecha Realización: 06/11/2013 Fecha Entrega: 13/11/2013

1. RESUMEN EJECUTIVO

El presente informe contiene el análisis y los posteriores resultados del laboratorio “A” del

ramo “Ciencias de los materiales” realizado por el alumno Jaime Rovegno.

El lector de este texto encontrara los resultados obtenidos al ensayar tres materiales

diferentes en tracción. Los materiales a estudiar son el acero, aluminio y bronce.

En un comienzo se muestran los datos números obtenidos para luego proceder a estudiar

las deformaciones, límite de fluencia, esfuerzo máximo, tenacidad, módulos de

deformación y ductilidad asociados a estos tres materiales.

Para finalizar se muestra el análisis de los datos, concluyendo las razones por las cuales el

“Acero” es el material más resistente al esfuerzo de tracción y las posibles razones de

esto.

CONTENIDO

1. Resumen ejecutivo…………………………………………………………………………………………………….2

2. Introducción………………………………………………………………………………………………………………5

2.1 Objetivos………………………………………………………………………………………………….5

3. Marco teórico…………………………………………………………………………………………………………….6 3.1 Ensayo de tracción……………………………………………………………………………………6

3.2 Materiales ensayados……………………………………………………………………….………7

3.2.1 Acero………………………………………………………………………………………….7

3.2.2 Aluminio………………………………………………………………………………..…..7

3.2.3 Bronce………………………………………………………………………………………..7

3.3 Probetas………………………………………………………………………………………………..…7

3.4 Pie de metro…………………………………………………………………………………………….8

3.5 Calculo de resistencia……………………………………………………………………………….8 3.6 Determinación módulo de deformación y módulo de Poisson…………………..8

3.7 Deformación………………………………………………………………………………………….…9

3.8 Límite de fluencia ductilidad………………………………………………………………….…9

3.9 Ductilidad……………………………………………………………………………………………….10

3.10 Tenacidad………………………………………………………………………………………….…10

4. Metodología……………………….……………………………………………………………………………………11 5. Resultado…………………………………………………………………………………………………………………12

5.1 Deformación………………………………………………………………………….……………….12

5.2 Curva esfuerzo v/s deformación…………………………………………..…………………13

5.3 Modulo deformación……………………………………………………………………………..13

5.4 Curva tenacidad v/s tiempo…………………………………………………………………...14

5.5 Ductilidad…………………………………………………………………………………………….…14

5.6 Esfuerzo máximo…………………………………………………………………………………...15

6. Conclusión……………………………………………………………………………………………………………….16 7. Bibliografía………………………………………………………………………………………………………………17

Ecuaciones

Densidad lectura directa……………………………………………………………………………………….……….8

Módulo de deformación promedio………………………………………………………………………..………8

Deformación unitaria de ingeniería……………………………………………………………………………….9

Límite de fluencia………………………………………………………………………………………………………….9

Ductilidad como variación de la longitud……………………………………………………………………..10

Ductilidad como variación de área……………………………………………………………………………….10

Gráficos

Maquina ensayo de tracción………………………………………………………………………………………….6

Maquina ensayo de tracción en acero……………………………………………………………………………6

Probeta utilizada en ensayos…………………………………………………………………………………………8

Probeta y deformaciones……………………………………………………………………………………………….9

2. INTRODUCCIÓN

Es de conocimiento que las herramientas que se utilizan en el día a día están confeccionadas de diferentes materiales, estos a su vez poseen diferente estructura y propiedades que los caracterizan y que nos permiten seleccionarlos para darles el mejor uso posible. En la construcción de un puente, ¿Qué materiales se deben utilizar para que logre soportar los esfuerzos asociados? Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones y la ciencia de los materiales nos provee esta información. En esta oportunidad se presenta el ensayo de tracción uniaxial en tres materiales diferentes (acero SAE1020, aluminio y bronce) proporcionada por la máquina universal de Ensayo INSTRON, con el objetivo de conocer algunas propiedades de estos materiales. A continuación se presentan los resultados, conclusiones y discusiones sobre el ensayo de tracción.

2.1 OBJETIVOS Determinar el límite de fluencia, esfuerzo máximo, deformación máxima a la ruptura, tenacidad y ductilidad de tres materiales distintos. Comparar las curvas de esfuerzo vs deformación.

3. MARCO TEORICO

3.1 Ensayo de tracción

Máquina de ensayo consistente de dos mordazas una fija y otra móvil en donde se coloca una probeta. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la figura 1

Figura 1: Maquina de Ensayo de Tracción.

La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga aplicada, las maquinas poseen un plotter que grafica en un eje el desplazamiento y en el otro eje la carga leída. La figura 2 muestra el grafico obtenido en una máquina de ensayo de tracción típico.

Figura 2: Grafico Maquina de Ensayo de Tracción en acero.

Zona Elástica1: Cambio temporal en un material generado por la aplicación de fuerzas.

Fluencia2

: Punto en el cual la deformación deja de ser elástica y pasa a ser inestable o plástica.

Zona Plástica3

: El material puede seguir deformándose sin perder capacidad de carga.

Se aprecia que en un comienzo existe una zona elástica 1 que luego de pasar por el punto

de fluencia 2 , luego de la fluencia sigue una parte inestable la cual se transforma en una

zona plástica 3 para llegar al esfuerzo máximo y posteriormente proceder a la ruptura.

3.2 Materiales Ensayados

3.2.1 Acero SAE1020 Este material está compuesto por:

0.38-0.43 % C

0.7-0.9 % Cr

1.65-2.0 % Ni

0.6-0.8 % Mn

0.2-0.3 % Mo

0.15-0.35 % Si

0.009 % P

0.002 % S

0.093 % Cu

y se caracteriza por ser un acero de bajo carbono, blando, responde bien al trabajo en frío y al tratamiento térmico de cementación. Tiene un alto índice de soldabilidad, y por su alta tenacidad y baja resistencia mecánica es adecuado para elementos de maquinaria y usos convencionales de baja exigencia.

3.2.2 Aluminio El aluminio es un metal muy ligero con un peso específico de 2,7 g/cm3, un tercio el peso del acero. Su resistencia puede adaptarse a la aplicación que se desee modificando la composición de su aleación. Sus propiedades principales son una alta resistencia a la corrosión, excelente conductor de la electricidad, buenas propiedades de reflexión, alta ductilidad, completamente impermeable e inodoro y es totalmente reciclable.

3.2.3 Bronce Bronce es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo se encuentra en una proporción generalmente entre un 3% y un 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.

3.3 Probetas

Las probetas para ensayos de tensión se fabrican en una variedad de formas. La sección transversal de la probeta puede ser redonda, cuadrada o rectangular. Para la mayoría de los casos, en metales, se utiliza comúnmente una probeta de sección redonda.

En los ensayos realizados se utilizaron probetas de sección redonda, en la figura 3 se puede observar un esquema de la probeta utilizada.

Figura 3: Probeta utilizada en los ensayos.

3.4 Pie de metro

Es un instrumento para medir longitudes que permite lecturas en milímetros y en fracciones de pulgada, a través de una escala llamada Nonio o Vernier. Se utiliza para hacer mediciones con rapidez, con grados de precisión de 0,05 mm, 0,02 mm. 1/128”, 0,001”. En este laboratorio se utilizó para medir la altura y diámetro (alto, medio y bajo) de los testigos.

3.5 Calculo de Resistencia

La resistencia a la compresión triaxial es el cociente o razón entre la carga máxima resistida por la probeta confinada a y el área de la muestra. Se calcula con la siguiente ecuación:

Ecuación 1. Densidad lectura directa

Dónde: ct = Resistencia a la compresión triaxial [Kg/cm2]

Q = Carga máxima de compresión o ruptura [N]

A = Área en que se aplica la carga [cm 2 ]

3.6 Determinación del módulo de deformación

Las formulas respectivas que utilizaremos serán:

Módulo de Deformación:

avE

Ecuación 2. Módulo de deformación promedio

A

Qct

Dónde: avE = Promedio: porción lineal [Gpa]

= Esfuerzos axiales [Mpa]

= deformación laterales

3.7 Deformación

La deformación se define como:

0

0

0 l

ll

l

l f

Ecuación 3: Deformación unitaria de ingeniería

Dónde: = Deformación

fl = Largo final [m]

0l = Largo inicial [m]

Figura 4: probeta y deformaciones.

3.8 Limite de fluencia

La resistencia al límite de fluencia está dado por:

0A

FLFLF

Ecuación 4: Limite de fluencia.

Dónde: LF = Esfuerzo en el punto de fluencia [Mpa]

LFF = Fuerza en el punto de fluencia [N]

0A = Área transversal inicial

3.9 Ductilidad

La 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

3.10 Tenacidad

En ciencia de materiales, la tenacidad es la energía total que absorbe un material antes de

alcanzar la rotura, por acumulación de dislocaciones.

4. METODOLOGIA

El tipo de ensayo a realizar es el mismo para todos los materiales: se coloca una probeta

en la máquina, midiendo previamente 0A y 0l , se procede a aplicar carga en forma

creciente y continúa 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 final ( fl ,) entre marcas y la

sección final ( fA ).

Con los datos de carga aplicada y alargamiento de la probeta se puede obtener un gráfico

F = f ( l ), y a partir de estos datos, más 0A y 0l , se puede obtener el gráfico esfuerzo en

función de la deformación = f ( ). A partir de este gráfico se obtendrán las variables mencionadas en los objetivos del laboratorio.

5. Resultados

A continuación se presentan los resultados de los ensayos de tracción realizado a los

materiales:

Como se indica en el capítulo anterior se procedió a calcular la variación del largo de las

probetas.

Material Largo Inicial [mm] Largo Final [mm] Deformación

Acero 84,3 88 3,7

Aluminio 81,6 89,9 8,3

Bronce 83,5 92,4 8,9

Para continuar se procedió a medir con el pie de metro la variación del diámetro.

Material Diámetro Inicial [mm] Diámetro Final [mm] Diámetro

Acero 5 3,3 -1,7

Aluminio 5 4,1 -0,9

Bronce 5 3,6 -1,4

Se puede ver que los resultados obtenidos son consistentes con lo esperado, ya que al

alargar la probeta debido a la tracción se espera que el diámetro baje.

5.1 Deformación

Utilizando la ecuación 5 se calcula la deformación de cada material, observando que el

bronce es quien posee una mayor deformación porcentual.

Material total

Acero 0,044

Aluminio 0,100

Bronce 0,107

5.2 Curvas esfuerzo v/s Deformación

Del grafico se puede deducir que el acero es quien posee una resistencia mayor al ensayo

de tracción, seguido por el bronce y finalizando con el acero.

Además se pueden deducir los siguientes parámetros.

Material Zona elástica [Mpa] Punto fluencia[Mpa] Zona plástica [Mpa]

Acero 0-620 620 620-640

Aluminio 0-380 380 380-440

Bronce 0-100 100 100-260

5.3 Modulo de deformación

Para determinarlo se considera la parte lineal de la curva Esfuerzo v/s deformación axial.

Grupo Parte lineal de la curva

X Y

Ecuación de la recta Pendiente

AVE

0

100

200

300

400

500

600

700

0 0,00002 0,00004 0,00006 0,00008 0,0001 0,00012 0,00014 0,00016

Esfu

erz

o [

Mp

a]

Deformación

Curvas Esfuerzo v/s Deformación

Acero

Bronce

Aluminio

Acero 0,00003

0,00005

180

560

nmxy

)/()( 1212 xxyym

19.000.000

Aluminio 0,00002

0,000033

80

100

nmxy

)/()( 1212 xxyym

2.500.000

Bronce 0,00002

0,000035

100

300

nmxy

)/()( 1212 xxyym

13.333.333

Tabla 6. Módulo de deformación promedio

El acero es el material con un mayor módulo de deformación, lo cual coincide con los

parámetro de ductilidad.

5.4 Curva tenacidad v/s tiempo

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 50 100 150 200 250

Ten

acid

ad [

gf/t

ex]

Tiempo [s]

Curva Tenacidad v/s tiempo

Acero

Bronce

Aluminio

5.5 Ductilidad

Material Variación de longitud [%] Variación de área [%]

Acero 4,4 -31,8

Aluminio 10,2 -10,3

Bronce 10,7 -21,1

5.6 Esfuerzo máximo

Material Esfuerzo máximo [Mpa]

Acero 660

Aluminio 440

Bronce 260

6. Conclusiones

Podemos concluir que existen diferencias importantes entre las propiedades mecánicas de cada

uno de los materiales y esto explica cada uno de los diferentes usos que poseen.

Antes de resumir y concluir sobre las propiedades estudiadas es tener claro que usos poseen los

materiales.

El acero es un material usado en labores pesadas, dónde se requiere de una fuerte resistencia, es

por esto que en los ensayos muestra la mayor resistencia a la deformación (mayor capacidad de

resistir esfuerzos) y es el material que se demoró más en fallar siendo también el menos dúctil,

esto queda bien reflejado en el grafico que posee un comportamiento frágil después del esfuerzo

máximo.

El aluminio, es muy usado en la fabricación de bicicletas y autos, además de tener un fuerte uso

en minería, es bastante liviano, tiene menor resistencia si se le aplica una gran cantidad de

esfuerzo y esto se ve reflejado en que fue el que tuvo una menor resistencia a la tracción y por

ende una mayor ductilidad, se puede apreciar su comportamiento dúctil en el gráfico de esfuerzo

v/s deformación.

El bronce se usa fundamentalmente en joyería, cañería y chapas de puertas, ya que presenta una

gran ductilidad y no se recomienda utilizarlas con grandes esfuerzos, además posee una alta

resistencia a la corrosión, por lo que puede estar a exposición del ambiente. En el ensayo de

tracción presenta una ductilidad y resistencia intermedia apreciable en los gráficos.

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.

Un aspecto considerable dentro de todo lo expuesto con anterioridad son los errores asociados a

toda experiencia de laboratorio. Uno de los errores más frecuentes son los errores de aplicación

humanos, poner de forma errónea la probeta, una medición o interpretación errónea de los datos.

Otro error que es posible encontrar son las impresiones que posee la máquina, 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.

Estos errores pueden ser evitados ensayando una cantidad importante de probetas para comprar

los resultados.

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.

7. 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: https://www.u-

cursos.cl/ingenieria/2013/2/MI4060/1/material_docente/

[3] J. Vallejos. [En línea]. Available: https://www.u-

cursos.cl/ingenieria/2009/2/CM3201/1/material_alumnos/objeto/44825.