LABORATORIO No.01 ENSAYO DE TRACCIÓN EN ACEROSASTM-E4, ASTM-E83, Norma INV E-501-07, NTC 2. 5.1 OBJETO DE ESTUDIO Una probeta cilíndrica de acero estructural calibrada, tipo 5, que

LABORATORIO No.01

ENSAYO DE TRACCIÓN EN ACEROS

Autores GRUPO No.06

David Estiven Acevedo Osorio - 1097038678 Luis Miguel Aguirre Martínez - 1094942382 Luis Alfonso Tejada Valencia - 1097401932

Sebastián Zapata Rendón - 1113789474

REVISADO POR:

Ing. Hugo Monsalve Jaramillo Titular De La Asignatura De MECÁNICA DE MATERIALES

MSC sismología y física del interior de la tierra

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

ARMENIA-QUINDÍO MARZO-2015

Laboratorio de estructuras

Facultad de Ingeniería

Programa de Ingeniería Civil

- 2 - FACULTAD DE INGENIERÍA

CONTENIDO 1 INTRODUCCIÓN ..........................................................................................................3

2 OBJETIVOS ..................................................................................................................3

2.1 GENERAL .......................................................................................................................3

2.2 ESPECÍFICOS ..................................................................................................................3

3 METODOLOGÍA ...........................................................................................................4

4 MARCO TEÓRICO ........................................................................................................4

4.1 PROPIEDADES ...............................................................................................................4

4.2 ESFUERZO POR TRACCIÓN ............................................................................................5

4.3 MÓDULO DE ELASTICIDAD (E).......................................................................................5

4.4 MÓDULO DE RESILIENCIA .............................................................................................5

4.5 MÓDULO DE TENACIDAD ..............................................................................................6

4.6 LÍMITE DE PROPORCIONALIDAD ...................................................................................6

4.7 DIAGRAMA DE ESFUERZO-DEFORMACIÓN ...................................................................6

5 EQUIPOS Y MATERIALES .............................................................................................6

5.1 OBJETO DE ESTUDIO .....................................................................................................7

6 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................7

7 CÁLCULOS ...................................................................................................................8

7.1 DATOS: .........................................................................................................................8

7.2 ESFUERZO DE TRACCIÓN: .............................................................................................8

7.3 LÍMITE DE FLUENCIA: ....................................................................................................8

7.4 PORCENTAJE DE ALARGAMIENTO: ...............................................................................9

7.5 PORCENTAJE DE REDUCCIÓN DE ÁREA: ........................................................................9

7.6 MÓDULO DE YOUNG (E): ..............................................................................................9

7.7 ESFUERZO Y DEFORMACIÓN ÚLTIMOS: ........................................................................9

7.8 ESFUERZO Y DEFORMACIÓN DE FALLA: ........................................................................9

7.9 MÓDULO DE RESILIENCIA ........................................................................................... 10

7.10 MÓDULO DE TENACIDAD ............................................................................................ 10

8 ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................................................................11

8.1 GRÁFICOS ................................................................................................................... 11

9 CONCLUSIONES .........................................................................................................12

10 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................13

11 ANEXOS ....................................................................................................................13





1 INTRODUCCIÓN

Durante el ensayo se experimentara con fuerzas aplicadas por medio de una maquina universal sobre una probeta de acero. Todos los materiales que son utilizados para la fabricación de elementos estructurales tienen un fin específico, Pues estos son sometidos a cargas y fuerzas axiales que actúan sobre ellos, por estas condiciones es necesario conocer las características (físicas, químicas y mecánicas) del material, esto contribuye a un diseño más óptimo de elementos estructurales, que al interactuar directamente con esfuerzos, estos no superen el límite elástico del mismo y pueda significar una deformación permanente o hasta la ruptura del elemento en el peor de los casos. El comportamiento mecánico de un material en cuanto a su ductilidad y capacidad de soportar esfuerzos, es el reflejo de la relación entre el esfuerzo soportado en un ensayo (en este caso de tracción) contra su deformación unitaria. Es por esto que se da a la tarea de realizar un análisis profundo respecto a las propiedades físicas y mecánicas del acero, teniendo en cuenta un protocolo y una metodología empleados para este tipo de experimentos. También es importante resaltar que se deben tener en cuenta la aplicación de conceptos básicos respecto a los materiales y módulos que conllevan a corroborar lo realizado en el laboratorio.

2 OBJETIVOS

2.1 GENERAL

Realizar un ensayo de tracción a una probeta de acero estructural para reconocer

y determinar de manera práctica las propiedades mecánicas del material,

valiéndonos principalmente del análisis gráfico.

2.2 ESPECÍFICOS

Construir una gráfica de esfuerzo vs deformación unitaria.

Analizar comprender el comportamiento del acero estructural ante una

determinada carga de tracción axial y los respectivos esfuerzo y

deformación que esta genera en el material.

Calcular elementos importantes como lo son, el límite de proporcionalidad,

esfuerzo de fluencia, esfuerzo último, esfuerzo de falla y las deformaciones

correspondientes.





3 METODOLOGÍA

Este ensayo esencialmente busca someter una probeta de acero de longitud calibrada y dimensiones establecidas según la NTC 2, a una carga de tracción que aumenta progresivamente. Midiendo simultáneamente los valores correspondientes de alargamiento de la barra. para más adelante valiéndose de conceptos establecidos por la mecánica de materiales obtener los valores correspondientes de esfuerzos y deformaciones unitarias para cada uno de los valores de carga – alargamiento, más específicamente de una gráfica esfuerzo – deformación donde además se podrán visualizar elementos como la zona elástica , el módulo de Young , el esfuerzo de fluencia , la zona inelástica , la de estricción , el esfuerzo ultimo y el de falla pudiendo determinar también mediante análisis características como su ductilidad.

4 MARCO TEÓRICO

El acero, como todos los materiales, tiene características físicas que determinan su comportamiento en diferentes situaciones que este se coloque. Estas características son importantes a la hora de hacer ensayos de este tipo, para esto hay unos parámetros que estandarizan el comportamiento del acero y vienen dados en módulos que ayudan a entender de una mejor manera el comportamiento del material. El acero, como todos los materiales, tiene características físicas que determinan su comportamiento en diferentes situaciones que este se coloque. Estas características son importantes a la hora de hacer ensayos de este tipo, para esto hay unos parámetros que estandarizan el comportamiento del acero y vienen dados en módulos que ayudan a entender de una mejor manera el comportamiento del material.

4.1 PROPIEDADES

Para empezar a conocer un poco más de acero, debemos conocer un poco sobre las propiedades que caracterizan a este material, propiedades como la resistencia, elasticidad, plasticidad, fragilidad, tenacidad, dureza y ductilidad, permiten que se tenga una idea si el material si es el que se requiere o si es necesario realizar alguna aleación con el fin de obtener una respuesta más positiva. La resistencia demuestra que tanto se opone el material a cambiar su forma a causa de diferentes fuerzas externas. De la mano de esta propiedad, se presenta también una propiedad llamada tenacidad que mide que tanto resiste el acero a la rotura por esfuerzos que deforman al mismo. Ahora bien, existen otras propiedades que no miden la resistencia del material, sino la capacidad de este de deformarse y de cierta manera regresar a su forma original. Estas son la elasticidad, plasticidad y ductilidad. Cuando se dice que un





material es dúctil, se interpreta que este, por así decirlo, es más flexible. Esto se asocia mucho con la elasticidad del material. Esta propiedad nos habla sobre la capacidad del material de regresar a su forma original en el momento en que alguna fuerza deje de provocar deformación. Por este mismo camino, la plasticidad nos habla sobre la capacidad de los metales de deformarse sin obtener ruptura. Se dice que si su deformación es un alargamiento viene dado por la ductilidad del material, pero si se comprime, corresponde a la a la maleabilidad del material. Es por eso que la ductilidad nos muestra que tanta deformación soporta un material por esfuerzos de tracción. Pero, así como se presentan aceros fuertes o resistentes, también existen aceros con propiedades totalmente contrarias. Una de estas propiedades es la fragilidad, ya que algunos aceros pueden presentar rupturas sin necesidad de mucho esfuerzo, esto conlleva a deducir la poca elasticidad que contiene el material. También existen aceros que pueden soportar deformaciones sin presentar rupturas por fuerzas externas pero estas deformaciones quedan permanentemente en el material y con lleva a la Dureza del material. Adicional a esto se presenta una propiedad muy llamativa llamada resiliencia, que demuestra que tanta energía es capaz de absorber un material en su zona elástica. Retomando el tema, en el ensayo se debe diferenciar la aparición de todos estos fenómenos ya mencionados. Para esto, se deben tener en cuenta estos parámetros o módulos que permiten realizar el experimento de manera pertinente y así obtener unos resultados satisfactorios.

4.2 ESFUERZO POR TRACCIÓN

Esfuerzo axial que generalmente produce un alargamiento del cuerpo en sentido del que se aplica el esfuerzo.

4.3 MÓDULO DE ELASTICIDAD (E)

Este factor ayuda a diferenciar el comportamiento de materiales con alta capacidad elástica, según la dirección en que se aplica la fuerza. En materiales isotrópicos, el módulo de Young tiene el mismo valor a tracción que a compresión, volviéndose así, una constante totalmente independiente del esfuerzo siempre y cuando el límite elástico no sea sobrepasado. El módulo de Young se verá expresado en la gráfica como la pendiente de la línea recta que se presenta al principio del ensayo de la probeta.

4.4 MÓDULO DE RESILIENCIA

Este parámetro nos ayuda a obtener la energía de deformación que puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación. La resiliencia es igual al trabajo extremo realizado para deformar hasta su límite elástico y se puede expresar en la gráfica como el área hasta la recta que termina en el límite de proporcionalidad.





4.5 MÓDULO DE TENACIDAD

La tenacidad de un material es su capacidad de absorber energía en el rango plástico del material. Es el área bajo la curva de toda la gráfica Esfuerzo vs Deformación Unitaria.

4.6 LÍMITE DE PROPORCIONALIDAD

Es el mayor esfuerzo en el cual este es directamente proporcional a la

deformación, la curva en un diagrama esfuerzo deformación es una línea recta. El

límite proporcional puede ser igual al límite elástico en algunos metales. Se puede

ver expresado en la gráfica porque define hasta dónde va la recta y desde allí

cambia el comportamiento de la gráfica.

4.7 DIAGRAMA DE ESFUERZO-DEFORMACIÓN

Muestra la relación entre el esfuerzo y la deformación unitaria de un material

dado, Para obtener este diagrama de un material, se somete una probeta a

esfuerzos mediante una maquina universal que permite tener una idea de su

comportamiento en el experimento.

5 EQUIPOS Y MATERIALES

Los materiales utilizados para la elaboración de este laboratorio son:

Figura 5-1. Maquina universal.

• Maquina universal (Figura 1) que permita la aplicación progresiva de las cargas

sin vibraciones, con las mordazas adecuadas, en el caso del ensayo fue usada

la máquina de ensayo universal UMIB-600.

Figura 5-2. Probeta de acero con sus respectivas dimensiones.





• Probeta de acero estructural tipo 5, calibrada para el ensayo, cumpliendo los

requisitos exigidos por la norma NTC 2.

• Contar con las especificaciones y requerimientos establecidos en las normas

ASTM-E4, ASTM-E83, Norma INV E-501-07, NTC 2.

5.1 OBJETO DE ESTUDIO

Una probeta cilíndrica de acero estructural calibrada, tipo 5, que hace referencia a un material dúctil, según las especificaciones establecidas en la norma NTC 2, elaborada con acero de bajo carbono, latón y aleación de aluminio, que presenta unas características enmarcadas, (longitud inicial = 62.5 mm, longitud total= 260 mm, diámetro menor= 12.1 mm, diámetro mayor= 24 mm) para posteriormente ser sometida al ensayo.

6 PROCEDIMIENTO

El ensayo consiste en someter una probeta de acero, con dimensiones específicas, a una carga de tracción hasta llevarla a la rotura, con el fin de conocer las propiedades mecánicas del elemento.

1. Se realizan y demarcan las respectivas dimensiones que servirán como

referente a la hora de elaborar los cálculos correspondientes y registrar los

datos.

2. La máquina universal que se encuentra a disposición para la elaboración

del ensayo, debe tener suficiente capacidad de tal manera que la aplicación

de carga sea continua y no intermitente, además de la calibración que

corresponde a la velocidad de deformación, equivalente a 1.6 mm/min , y

una velocidad de esfuerzo, que equivale a un promedio de 0.78 KN/m .

3. La probeta se somete al ensayo, se registran los datos en la computadora,

(pueden variar entre valores indefinidos, según las condiciones de los

materiales usados), a medida que se va aumentando la carga sobre la

probeta y el tiempo transcurre, hasta el momento de la rotura del elemento.

4. Después de finalizado el ensayo, cuando la probeta de acero falla, esta es

retirada y se procede a observar las condiciones en las que se encuentra,

se realiza la demarcación correspondiente a las zonas de importancia

como se hizo al inicio del ensayo, y se registran estos valores para cálculos

posteriores.





5. Por último, se realizan los cálculos pertinentes con los datos obtenidos en

el ensayo, que indican la relación entre el esfuerzo y la deformación, en un

material, en este caso, una probeta de acero, para posteriormente

establecer las diferentes propiedades mecánicas buscadas.

7 CÁLCULOS

A continuación se muestran ordenadamente los datos obtenidos de la práctica número 1 correspondiente a la tracción de aceros, además de los datos que se obtienen por medio de diferentes procedimientos y análisis ingenieriles pertinentes.

7.1 DATOS:

Diámetro inicial (do): 0,01210 m

Área inicial (Ao): 0,0001150 m2

Longitud calibrada inicial (Lo): 0,06250 m

Diámetro final (df): 0,0085 m

Área final (Af): 5,675E-05 m2

Longitud calibrada final (Lf): 0,0761 m

Esfuerzo máximo (σmax): 666,17 MPa

Deformación unitaria máxima (εmax): 0,00564 m/m Fuerza máxima (Fmax): 76,6033325 kN

Deformación máxima (δmax): 0,000352768 m

7.2 ESFUERZO DE TRACCIÓN:

7.3 LÍMITE DE FLUENCIA:

Según los datos obtenidos, y solamente tomando la parte lineal de la gráfica de esfuerzo vs deformación, tenemos que las coordenadas en la gráfica del límite de fluencia son:

Límite de fluencia (Lp): 0,00188 m/m 465,286 MPa





7.4 PORCENTAJE DE ALARGAMIENTO:

7.5 PORCENTAJE DE REDUCCIÓN DE ÁREA:

7.6 MÓDULO DE YOUNG (E):

El módulo de Young se define como la pendiente de la parte recta del diagrama de Esfuerzo vs Deformación unitaria, por lo tanto de la línea de tendencia en Excel sobre la gráfica obtenemos la siguiente ecuación:

Y=245131x (Ecuación de la recta)

Por lo tanto E= 245,13 GPa.

7.7 ESFUERZO Y DEFORMACIÓN ÚLTIMOS:

ξu= 0,004662902 m/m σu= 666,1730223 MPa

7.8 ESFUERZO Y DEFORMACIÓN DE FALLA:

ξfalla= 0,005644 m/m σfalla= 621,978 MPa





7.9 MÓDULO DE RESILIENCIA

El módulo de resiliencia se define como el área bajo la seccion lineal de la grafica, siendo esta la energia que se acumula durante el proceso de elasticidad por unidad de volumen.

7.10 MÓDULO DE TENACIDAD

El módulo de tenacidad se define como el área bajo toda la curva que se generó en el proceso de carga a la probeta, esta área representa toda su energía acumulada durante el proceso de carga hasta la ruptura por unidad de volumen. Para realizar este cálculo se utiliza el método de cuadricula. • Área de cada cuadricula (Ac): 100 kJ/m

3 • Número de cuadriculas completas bajo la curva: 16 • Número de cuadriculas sobrantes aproximadas a un entero: 10 • Total de cuadriculas bajo la curva (n): 26 (aprox.) Entonces, Ac*n= 2.6 MJ/m

3





8 ANÁLISIS DE RESULTADOS

• La probeta de acero sufrió una deformación positiva sobre su longitud (alargamiento) de 13,6 mm, representando esto un 21,76% de porcentaje de alargamiento. • El área de la probeta en el momento de la ruptura se redujo un 50,65% en comparación al área inicial, siendo el área final de 56,74 mm2. • El esfuerzo máximo o último (σu) obtenido durante el ensayo de tracción de acero fue de 666,17 MPa y el esfuerzo máximo o último (σu) calculado fue de 666,12 MPa, con un error de tan solo el 7,51x10-3%. • El esfuerzo de falla (σfalla) obtenido durante el ensayo fue de 621,98 MPa con una deformación unitaria total de 0,0056 m/m. • Su energía acumulada por unidad de volumen durante el rango elástico en el proceso de carga a tracción (módulo de resiliencia) fue de 433,19 kJ/m3. • Su energía acumulada por unidad de volumen durante todo el proceso de carga hasta la ruptura (módulo de tenacidad) fue de 2,6 MJ/m3. • Las fuerzas registradas en el esfuerzo último (σu) y el esfuerzo de falla (σfalla), fueron respectivamente 76,603 kN (Fu) y 71,521 kN (Ffalla).

8.1 GRÁFICOS

Figura 8-1. Fuerza vs Deformación.

Figura 8-2. Esfuerzo vs Deformación unitaria.





Figura 8-3. Zona elástica de la gráfica de Esfuerzo vs Deformación unitaria.

9 CONCLUSIONES

• De acuerdo con las gráficas, resultados obtenidos y lo observado durante el ensayo de tracción, comprobamos que el acero estructural es un material dúctil, el cual falla debido al esfuerzo cortante que actúa a 45° del eje de la probeta, produciendo así un fenómeno de estricción, en caso tal de haber sufrido una falla totalmente dúctil el área final hubiese sido de 0 mm2. • El módulo de Young (E) obtenido al analizar la gráfica fue de E=245,13 GPa, mientras el módulo de Young usado teóricamente para los aceros es de 200 GPa, provocando así un error del 22,6% con respecto al valor teórico, esto probablemente sucedió debido a la aleación de materiales presentes en la probeta de acero utilizada en la práctica. • Pudimos observar como esa pequeña sección de acero puedo soportar grandes cargas dentro del límite elástico presentando poca deformación, lo cual nos indica que es un material de alta resistencia a las cargas tracción, consecuentemente es ideal para reforzar estructuras o elementos que no posean tanta resistencia a tracción, como lo es el concreto, que al combinarse con acero da lugar al concreto reforzado.





10 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE INGENIERÍA SÍSMICA. (2010). Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente, NSR-10. Bogotá D.C.: AIS. NTC. NORMA TECNICA COLOMBIANA. (1995). NTC2 Ensayo de tracción para materiales metalicos. Metodo de ensayo a temperatura ambiente. Bogotá D.C.: ICONTEC. BEER, F. et al. (2009). MECÁNICA DE MATERIALES, Quinta edición. McGraw-Hill companies, Inc. México. GERE, J.& GOODNO, B. (2009). MECÁNICA DE MATERIALES, Septima edición. Cengage Learning editores, inc. México. HIBBELER, R. (2011). MECÁNICA DE MATERIALES, Octava edición. Pearson educación, ltda. México. FOREST PRODUCTS LABORATORY. (1999). Wood handbook—Wood as an engineering material. Madison, WI: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory. INN, INSTITUTO NACIONAL DE NORMALIZACIÓN. (1971). Norma Chilena, NCh802 de 1971. Santiago, Chile: INN.

11 ANEXOS

Adjunto al informe se presentan los informes de los grupos asistentes a la práctica, los cuales solo deben presentar cálculos, graficas, análisis de resultados y conclusiones.

Documents

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