informe traccion

Laboratorio de Comportamiento Mecánico de Sólidos

Índice Página

1. Introducción…………………………………...…………………………………….

1

2. Objetivos…………………………………………………..……….………………. 2

3. Base Teórica…………………………………………..……………………………..3

4. Procedimiento Experimental…………………………………………………...……6

5. Resultados …………………………………………………………………………7

6. Análisis……..……………………………………………………………................12

7. Conclusiones……………………………………………………………………….15

8. Anexos……..……………………………………………………………………….16

9. Referencias………………………………………………………………………....18

Universidad de Santiago de Chile


1. Introducción

Poder identificar el material con que se está trabajando es

fundamental para realizar cualquier tipo de labor. En la metalurgia, uno

de los recursos mas usados es el ensayo de tracción. Es de vital

importancia, en este ámbito, saber como determinar experimentalmente

las propiedades mecánicas y características de un material, realizando

este ensayo.

En el siguiente informe, se determinarán, con datos

experimentales, las características de un acero desconocido y se tratará

de identificar el mismo. Además se estudiará la influencia de realizar un

ensayo bajo las normas NCh200 y fuera de ella, y que influencia tiene en

los valores obtenidos.

Universidad de Santiago de Chile1


2. Objetivos

2.1 Objetivos Generales

Determinar que tipo de acero corresponde la probeta traccionada

Observar como afecta la velocidad de deformación en los

principales a los resultados obtenidos.

2.2 Objetivos Específicos

Determinar propiedades mecánicas y características de materiales

sometidos a tracción uniaxial.

Conocer que datos pueden ser obtenidos con un ensayo de

tracción.

Aprender a trabajar con datos reales de un ensayo de tracción



3. Base Teórica

3.1 Limite elástico: Es el punto de la curva esfuerzo-deformación, que

divide los comportamiento elástico y plásticos del material.

3.2 Rango Elástico: Es el intervalo de la curva esfuerzo-deformación,

donde el material se comporta elásticamente. Usualmente es una recta.

3.3 Ley de Hooke: Relaciona el esfuerzo y la deformación en rango

elástico, esta dado por:

(1)

σ:

Esfuerzo.

E:

Módulo de Young.

ε:

Deformación.

El modulo de Young (E) es la constante de proporcionalidad en la ley de

Hooke y la pendiente de la curva esfuerzo-deformación, en su región

elástica

3.4Ultimate Tensile Strenght (UTS): Es el esfuerzo máximo

observado en la curva esfuerzo-deformación. Es el esfuerzo al cual

se comienza a formar el cuello en la probeta.

3.5Esfuerzo de Fluencia (σo): Corresponde al esfuerzo al cual la

probeta se ah deformado un 0,2%, como muestra la figura 3.1. Este

valor (porcentaje de deformación) es impuesto y no corresponde

necesariamente al esfuerzo de cedencia real.



Figura 3.1 Esfuerzo de

Cedencia Convencional

3.6Estriccion o encuellamiento: Es el lugar de la probeta donde se

produce la reducción del área transversal de la misma. Comienza en

UTS.

3.7 Esfuerzo verdadero:

(2)

3.8 Esfuerzo ingenieril:

(3)

3.9 Deformación verdadera:

(4)



3.10 Deformación ingenieril:

(5)

3.11 Resiliencia: Es la capacidad de un material de absorber energía

cuando se deforma elásticamente.

3.12 Modulo de Resiliencia: Corresponde a la energía de deformación

por unidad e volumen requerida para deformar el material hasta el

límite elástico σo.

(6)

3.13 Ajuste de Hollomon: Para la zona de deformación plástica

uniforme se puede relacionar el esfuerzo verdadero con la

deformación verdadera por:

(7)

donde: K es una constante

n corresponde a la pendiente de ln σ0 vs ln εv .n recibe el

nombre de índice de endurecimiento por deformación.

Si n=0 el material es perfectamente plástico.

n=1 corresponde a un sólido elástico.

3.14 Alargamiento a rotura: Es el porcentaje de alargamiento que

sufrió la probeta luego de haber sido traccionada.

(8)

3.15 Porcentaje de reducción de área:

(9)



3.16 Fluencia Heterogénea: Esta se puede representar a través de

las bandas de Lüders y la atmosfera de Cottrel, estos fenómenos se dan

en aceros bajo al carbono, las bandas de Luders se presentan debido a

planos de deslizamientos aparecidos mediante un ensayo de tracción,

aparecen a 45º con respecto al eje e indican que el material falla en

corte a lo largo de planos sobre los que el esfuerzo cortante es máximo.

Estas bandas aparecen por el re-entrabamiento de las dislocaciones.

4. Procedimiento Experimental

Requerimientos y Equipos

.

2 probetas de acero estándar

Pie de metro, sensibilidad de 0.05 [mm]

Máquina de tracción Tinus & Olsen, sensibilidad de es 0.01 Kg

Extensómetro

Programa Computacional

Procedimiento experimental

Se tienen dos probetas del mismo tipo de acero, estándar.

Se miden las dimensiones de ambas, largo y diámetro, con pie de

metro, según las marcas especificadas.

En la primera se realiza el ensayo de tracción según Nch200, al

inicio del mismo se coloca el extensómetro en la probeta, se tiene

cuidado de retirarlo cuando comience la fluencia del material, con

el propósito que no se dañe.



Se miden diámetro y distancia entre marcas con el pie de metro,

se almacenan los datos obtenidos para la probeta 1.

En la segunda probeta, se realiza un ensayo de tracción que

difiere del anterior en la velocidad de deformación, que se

aumenta a 80 [mm/min]. También se sitúa el extensómetro al

inicio y se retira al momento de comenzar la fluencia.

Se miden diámetro y distancia entre marcas con el pie de metro,

se almacenan los datos obtenidos para la probeta 2.

5. Resultados

Tabla 5.1 Dimensiones de ambas probetas[mm] Probeta 1 Probeta 2Largo inicial 50,00 50,00Largo Final 68,55 64,95

Diámetro incial 8,95 9,00

Diámetro final 5,80 5,75

Ensayo 1



Figura 5.1 Esfuerzo v/s Deformación, ingenieril y Real (verdadero), para probeta 1


Esfuerzo vs Deformacion

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Deformación

Esf

ue

rzo

[MP

a]

Ingenieril

Real

Zona elástica Esfuerzo vs Deformacion

y = 191076x

R2 = 0,9982

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025

Deformacion

Es

fue

rzo

[MP

a]


Figura 5.2 Zona elástica de la curva esfuerzo- Deformacion ingenieril para probeta 1

Tabla 5.1 Valores Obtenidos

Modulo de Young [GPa] σ UTS[MPa]

Deformación de fractura ε Resiliencia[KPa] % Elongación

P1 192 573,3 0,31 402,2 37,1

Tabla 5.2 Propiedades del ensayo de tracción, valores mínimos según norma Nch204Grado del acero

A37-24H A44-28H A56-35HResistencia a la traccion

[MPa]370 440 560

Fluencia [Mpa]

240 280 350

Tabla 5.3 n y K Calculados con distintos ajustes(anexo 1)

Probeta 1 n K[MPa]Hollomon 0,2452 1053,212

Ludwik 0,2465 2,682Considere 0,1809 935,951

Ensayo 2




0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Deformacion

Es

fue

rzo

[MP

a]

ing

Real

Figura 5.3 Curvas Esfuerzo-Deformación, ingenieril y Real para probeta 2

Zona Elástica Esfuerzo vs Deformacion

y = 385355x

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006 0,0007 0,0008 0,0009 0,001

Deformacion

Esf

uer

zo[M

Pa]

Figura 5.4 elástica de la curva esfuerzo- Deformación ingenieril para probeta 1



Tabla 5.4 Valores obtenidos de Probetas 1 y 2

Modulo de Young [GPa] σ UTS[MPa]

Deformación de fractura ε Resiliencia[KPa] % Elongación

P1 192 573,3 0,31 402,2 37,1P2 385 568,4 0,29 225,6 29,9


0

100

200

300

400

500

600

700

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Deformacion

Esf

uer

zo[M

Pa]

Ingenieril Normado

Ingenieril fuera de norma

Figura 5.5 Curva esfuerzo-deformación ingenieril, probetas 1 y 2

Figura 5.6 Ampliación

de figura 5.4 en la zona

elástica con recta

paralela al módulo de

elasticidad en 0,02 de

deformación.



Tabla 5.5 Esfuerzos de Fluencia para ambas probetas

σ0[MPa]

P1 393P2 417

6. Análisis



Durante la realización de este laboratorio, solo se estudió el

ensayo de tracción en si, no se consideró la preparación previa de las

probetas, que se estimó, fueron correctamente dispuestas.

Luego de realizar ambos ensayos, se obtuvieron los datos de

esfuerzo y deformación, junto con los de posición que son determinado

por la maquina. Ya que el extensómetro, que medía el alargamiento de

la probeta, se retiró cuando comenzaba la deformación plástica para

evitar que se dañara, los datos utilizados para determinar la

deformación posterior, se calcularon con la formula (5).

De los datos obtenidos para el ensayo 1, que se realizó según

NCh200, se graficó la curva esfuerzo-deformación, tanto ingenieril como

real, que fue obtenido con las formulas (2) y (4), esto se ve en la figura

5.1. Se observa que al final de la zona plástica está presente la

deformación heterogénea, que se manifiesta como bandas de Lüders en

la probeta traccionada, este fenómeno es característico de los aceros de

bajo carbono. En la figura 5.2 se muestra de la curva esfuerzo-

deformación, la zona elástica de la probeta 1. Se aplicó una regresión

lineal a los datos para estimar la pendiente, y al mismo tiempo, el

modulo de elasticidad del material. Cabe señalar que este cálculo se

realizó a modo de verificación de datos, pero en realidad no es posible

calcular de forma exacta el modulo de young mediante un ensayo de

tracción. Los resultados se presentan en la tabla 5.1. El modulo de

young resultó 193[GPa], que es muy cercano a lo teórico. Comparando

lo valores obtenidos de la tabla 5.1 y 5.5, con los de la norma Nch204,

contenidos en la tabla 5.2, se observa que el esfuerzo de fluencia

obtenido que fue de 393[MPa] , supera los mínimo de los tres tipos de

aceros especificados, pero viendo el valor de la resistencia la tracción o

UTS, se nota que el obtenido de 573,3[MPa], se acerca más al del acero

tipo A56-35H.



En la tabla 5.3 se presentan los resultados de los ajustes

aplicados. La mayor diferencia, en el índice de endurecimiento por

deformación, la presentó el ajuste de Considere con un n=0,1809,

mientras que los otros ajustes son de valores muy cercanos, con

n=0,2452 y n=0,2465. Aun así, se puede decir que el material se

comporta más plástica que elásticamente, y que su valor se acerca al

del característico de aceros de bajo carbono. Respecto al valor de K,

tanto los valores de Hollomon y Considere, están dentro del rango de

valores normales para un acero y resultaron K=1053,212 y K=935,951.

La gran diferencia de valor de Ludwik, se puede explicar debido a la

aplicación del ajuste que no es única, ya que existen numerosos

métodos para poder realizarlo. Los tres ajustes mostraron resultados

muy cercanos. El ajuste de Hollomon es el que actualmente se

considera como el estándar, pero no se podría decir si es más exacto

que los otros ajustes. A modo de comparación, el ajuste de Ludwik

mostró ser el más cercano a este. Luego, tomando en cuenta la

presencia de bandas de Lüders en la figura 5.1, características de aceros

de bajo carbono, los resultados de las tablas 5.1 y 5.6 , además de los

criterios de fluencia y resistencia a la tracción de la norma Nch204, se

puede concluir que el acero traccionado corresponde a un acero de

construcción A56-35H.

Los resultados obtenidos para el ensayo 2, que se realizaron

fuera de la norma, con una velocidad de 80 [mm/min], se trabajaron de

forma similar a los anteriormente comentados. La figura 5.3 muestra las

Curvas Esfuerzo-Deformación, ingenieríl y Real para la probeta 2.

También presenta bandas de Lüders, lo que es de esperarse ya que es

característico del acero ensayado. La figura 5.4, muestra la zona

elástica del grafico mencionado anteriormente, y al igual que para el

ensayo 1, se realizó una regresión lineal a los datos, resultando un

modulo de elasticidad de 385[GPa], que es aceptable por lo motivos

explicados anteriormente. De la figura 5.6, se determinaron los



esfuerzos de fluencia. Se trazó una paralela a la zona elástica del

grafico, en un 0,002 de deformación, se nota que las zona de bandas en

el ensayo 2, es mayor que del ensayo 1. En la tabla 5.4 y 5.6 se

presentan los resultados de propiedades mecánicas obtenidos para el

ensayo normado y no normado. En esta última, se observan esfuerzo de

fluencia de 393[MPa] y 417[MPa], para lo ensayos 1 y 2

respectivamente. El que estaba fuera de norma resultó superior, esto se

debe al aumento en la velocidad de deformación, que dificultó el

deslizamiento de dislocaciones en el material. Esto también se refleja en

los resultados del porcentaje de elongación, resiliencia y deformación

de fractura para la probeta 2, que fueron menores al ensayo normado, lo

que indica un comportamiento diferente de deformación frente a una

velocidad distinta. Esto se ve gráficamente en la figura 5.5, donde se

comparan ambos ensayos. Finalmente, se puede decir, que la velocidad

de deformación en el ensayo de tracción afecta las propiedades

mecánicas calculadas del material, por lo tanto al realizar ensayos de

tracción, es necesario que se encuentren bajo la norma correspondiente,

para que los resultados obtenidos sean comparables entre si.



7. Conclusiones

Ensayo 1

Se lograron determinar las propiedades mecánicas de un material

sometido a tracción uniaxial

El esfuerzo de fluencia resultó 393[MPa]

El modulo de young resultó 192[GPa]

Para el calculo del n, el ajuste mas cercano a Hollomon fue el de

Ludwik

Para el calculo de K, el ajuste mas cercano a Hollomon fue el de

Considere

El material traccionado corresponde a un acero de construcción

A56-35H.

Ensayo 2

El esfuerzo de fluencia fue menor al Normado

El UTS, Módulo de resiliencia, porcentaje de elongación y esfuerzo

de fractura, fueron menores a los bajo norma.

La velocidad de deformación afecta las propiedades mecánicas del

material obtenidas.

Se aprendió a trabajar con datos reales de un ensayo de tracción.



8. Anexos

1. Para el ajuste de Hollomon

Figura 8.1

Ln(esfuerzo verdadero) vs Ln(deformación verdadera)para ajuste de Hollomon

Para Ludwik


Hollomon

y = 0,2462x + 6,9596

R2 = 0,9986

5,9

6

6,1

6,2

6,3

6,4

6,5

6,6

-4,5 -4 -3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0

Ln(Deformacion verd)

Ln(e

sfue

rzo

ve

rd)

Ludwik

y = 0,2465x + 0,9866

R2 = 0,9985

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-5 -4 -3 -2 -1 0

Ln(deformacion)

Ln(s

igm

a/si

gma0

)


Figura 8.2 Ln(esfuerzo verdadero/esfuerzo fluencia) vs Ln(deformación

verdadera)para ajuste de Ludwik

En el cálculo del ajuste de Ludwik, se uso la expresión:



9. Referencias

D. Askeland, “La Ciencia e Ingeniería de Materiales”, Grupo

Editorial

Iberoamérica, tercera edición.

Alberto Monsalve G., Apuntes Comportamiento Mecánico de

Sólidos

Departamento de Ingeniería Metalúrgica –USACH.

Nch204, Acero-barras laminadas en caliente para hormigón

armado, Norma chilena oficial.

Nch200, Productos metálicos, ensayo de tracción, Norma chilena

oficial


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