Ciencias de los materiales

UNIVERSIDAD DE ANTOFAGASTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ANTOFAGASTA
INFORME N° 2 DE
LABORATORIO DE CIENCIAS
DE LOS MATERIALES
Asignatura: Ciencias de los materiales.
Fecha de entrega: 23 de Octubre del 2000.
CONTENIDOS
• Resumen pag. 1
• Introducción pag. 2
• Prueba de la tensión pag. 3
• Descripción de la experiencia pag. 3
• Cálculos respectivos pag. 5
• Gráfica: deformación Vs esfuerzo pag. 8
• Notas importantes pag. 9
• Terminología según la Norma Chilena NCh 200 pag. 10
• Conclusión pag. 11
• Bibliografía pag. 12
RESUMEN
Para saber ciertas propiedades mecánicas de un material, se somete a una prueba de tracción, es decir una
probeta se somete a un esfuerzo axial creciente (aumento de carga) hasta la rotura. Aquí hemos usado una
probeta de bronce.
INTRODUCCION
El comportamiento de los materiales por el ensayo de tracción, es muy útil para saber ciertas propiedades
mecánicas, es usado en el campo de diseño, metalurgia y sobretodo en el ámbito de la ingeniería. Estas
propiedades mecánicas son por ejemplo: El esfuerzo de influencia, resistencia a la tensión, resistencia a la
fractura, módulo de elasticidad, etc.
La presentación de este informe es básicamente saber estas y más propiedades de un cierto metal que hemos
probado mediante el ensayo de tracción. Una muestra ó probeta es preparado sucintamente, se le somete a
una carga del tipo "uniaxial" (que es la fuerza aplicada en la dirección longitudinal de la probeta) por medio
de un sistema mecánico de tornillos y la fuerza es marcada mediante un tensómetro de mercurio
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Este informe tiene además como objetivo, demostrar la experiencia realizada con una probeta de bronce en
donde se determinan estos cálculos y propiedades que describiremos con el desarrollo de este. Tenga también
presente, que se trató de ilustrar lo más detalladamente posible, con el objeto de entregar conocimientos a
otras personas (posibles ingenieros), la forma aproximada de realizar una importante prueba de este tipo.
PRUEBA DE LA TENSION
Esta prueba es realizada generalmente para determinar algunas propiedades mecánicas, como ductilidad,
elasticidad, resistencia, etc.
El objetivo de esta experiencia es hacer una prueba y determinar las siguientes propiedades del material:
• Módulo de elasticidad.
• Límite elástico.
• Límite de influencia.
• Resistencia a la tracción o esfuerzo máximo.
• Alargamiento en la ruptura.
• Reducción de área.
• Energía elástica.
• Tenacidad y tipo de fractura.
DESCRIPCION DE LA EXPERIENCIA
El procedimiento de la experiencia consta de una probeta de bronce que tiene 5 milímetros de diámetro ()
por 41,92 milímetros de largo (L). En la figura se muestra la probeta usada en la experiencia.
Una vez medido el diámetro (), y su largo, se procede a tomar el calibre de reducción de área (ver fig.),
tomando la referencia en cero y dejándolo fijo. Luego se toma el calibre de elongación (ver fig.), se toma el
largo de la probeta y se fija.
La probeta después de este proceso de medición se ajusta en la máquina por medio de unos sujetadores; se
trata de que no quede holgura (ver fig.)
Ahora se coloca el papel en el cilindro marcador y se ubica la punta del lápiz en una referencia del papel.
Luego la probeta está lista para realizar el método, se gira la manilla en sentido horario para tensionar la pieza,
mientras que en el extremo superior de la máquina se encuentra una barra de mercurio que indica la carga
aplicada a la pieza, esta barra se debe seguir mediante un puntero especial que lleva un lápiz y este se debe dar
pulsaciones para dejar marcado en el papel, además el seguidor se debe mover simultáneamente siguiendo la
barra de mercurio (ver fig.).
Si el trabajo es de a 2 personas, esto implica una mayor precisión de trabajo, puesto que una persona, gira la
manilla (prueba del material) y la otra persona trabaja con el lápiz, fijándose mucho mejor en la barra de
mercurio (indicador de carga aplicada a la probeta).
El proceso sigue hasta que el material se fracture.
La probeta partida en 2, se saca de los sujetadores de la máquina y se toma el calibre de reducción de área y el
diámetro más pequeño que quedó en la mitad de la probeta se coloca y se indica el porcentaje de reducción
del área de la sección (ver fig.).
Luego se toma los 2 pedazos de este y trate de unir las 2 partes, para que lo coloque en el calibre de
elongación, este dará el porcentaje de elongación de la probeta con respecto a la inicial; es obvio el
2
alargamiento de ella.
La última parte de examinación de la pieza, es ver el tipo de fractura, esta puede ser parcial ó completa, este
se ve con la conocidad en que queda.
Ahora se estudia el papel marcado de la prueba realizada y se hacen los cálculos respectivos.
En mi experiencia usé una probeta de bronce, la gráfica de la página número 8 muestra esta prueba.
Lamentablemente el punto de influencia no se puede visualizar, es por eso que se hace lo siguiente para
encontrarlo.
• Trace una línea desde el origen de la prueba hasta el punto de proporcionalidad.
• Trace una línea paralela a la línea anterior y que pase por el punto de rotura y que corte a la línea
indicadora de deformación.
• El tramo que une el origen de la prueba con el punto que corta a la línea de deformación, llámela el
100%
• Calcule el 0,2% de la distancia que le dio el 100% y obtendrá un punto en la línea de deformación.
• Trace una paralela al la línea que une el origen con el punto de proporcionalidad y donde corte la
gráfica, obtendrá en punto de influencia.
Con el punto de influencia, el de proporcionalidad, el de rotura, el de carga máxima y teniendo en cuenta que
el máximo de la máquina es 2000 [Kg], sacando por proporciones simples, se pueden encontrar varios valores
que indican las propiedades del material puesto a prueba.
Según la experiencia la distancia AS = 111,4 [mm], calculando el 0,2% de deformación permanente, arrojó la
cifra de 0,2228 [mm], para poder marcarlo en la hoja tuve que aproximar con un pie de metro la distancia de
0,25 [mm], tracé la paralela a la línea AO y encontré el punto de influencia.
Los 2000 [Kg] de carga mide 160 [mm], el punto de proporcionalidad está a 55 [mm], el punto de influencia
está a 58 [mm], el punto de carga máxima está a 73 [mm] y el punto de rotura está a 71 [mm], todas estas
medidas están respecto al origen; haciendo una proporción simple se tiene que:
Límite de proporcionalidad (Fp): = 687,5 [Kg]
Límite de influencia (Ff): = 725 [Kg]
Carga máxima (Fmax): = 912,5 [Kg]
Punto de rotura (FR): = 887,5 [Kg]
Porcentaje de elongación = 30%
Porcentaje de reducción de área = 50%
• Realizando los Cálculos respectivos:
Area Inicial (A0) = * r2 = (2,5)2 * = 6,25 [mm2]
Elongación inicial (L0) = 41,92 [mm]
Límite elástico (p):
3
[Kg/mm2]
Elongación (ep):
;
Límite de proporcionalidad (E):
[Kg/mm2]
Usando el límite elástico: p =
[Kg/mm2] (1)
Para usar la elongación debemos recordar que
y la longitud total es la longitud inicial menos el 30% de la misma longitud, en otras palabras:
luego tenemos la elongación:
(2)
con (1) y (2) tenemos el límite de proporcionalidad:
[Kg/mm2]
La tensión de influencia está dada por:
Usando los datos:
[Kg/mm2]
El esfuerzo a la ruptura:
[Kg/mm2]
4
La tensión de ruptura:
[Kg/mm2]
La energía elástica está dada por la fórmula:
[Kg−mm]
La tenacidad:
Usando los datos:
También:
[mm]
= Es el esfuerzo.
= Es el alargamiento de la máquina.
Con este resultado se verifica que se aproxima al 0,2% de la distancia (AS) de 111,4 [mm].
La Deformación real se define como:
[mm]
NOTAS IMPORTANTES
Nota 1: El tipo de probeta usada es una probeta cilíndrica proporcional teniendo en cuenta que su diámetro es
5 milímetros y su largo inicial es de 41,92 milímetro, esto obedece a que la norma Chilena NCh 200 establece
que para las probetas de este tipo cumple con la relación:
5
[mm]
Su diámetro será igual ó superior a 4 milímetros.
Nota 2: El tipo de fractura es también importante. En la página número 4, dimos a conocer 2 tipos de
fracturas, estos 2 tipos son esencialmente para materiales dúctiles como este (bronce), puesto que para el
hierro (por ejemplo) tiene otros tipos. En los aceros templados con alto contenido de carbono ó si se ha
endurecido mediante un tratamiento térmico, tiene una fractura en estrella, ó además la fractura puede ser
frágil (poco dúctil), no se produce un "cuello de botella" y la superficie de fractura tiende a formar un plano
normal a la fuerza de la carga axial.
En resumen:
TERMINOLOGIA
(según la norma NCh 200)
• Ensayo de tracción: Es el ensayo que consiste en aplicar a la probeta, en dirección axial, un esfuerzo
de tracción creciente y que es generalmente hasta la rotura, con el fin de determinar varias
propiedades mecánicas vistas en este informe.
• Tensión: Intensidad en un punto de un cuerpo de las fuerzas internas o de sus componentes que actúan
en un plano dado a través de un punto.
• Probeta: Trozo o porción de material extraído del producto metálico por ensayar, debidamente
preparado según las especificaciones de esta norma y las variaciones indicadas en la norma particular
del producto, puede ser longitudinal, transversal, un producto si preparación especial o trabajado
según especificaciones.
• Probeta no proporcional: es aquella en la cual la longitud inicial entre marcas tiene un valor fijo que
es independiente de la sección inicial.
• Probeta proporcional: probeta para lo cual la relación
, guarda un determinado valor. Si esta relación tiene el valor de 5,65 se llama probeta de proporción
normal.
• Carga: Fuerza aplicada en cualquier instante del ensayo. En esta norma se utilizará la relación con la
fuerza de tracción.
• Límite de fluencia: Si durante el ensayo se observa una caída de la carga, la tensión correspondiente al
valor más alto de dicha carga se denomina "límite superior de fluencia", análogamente para la tensión
menor se denomina "límite inferior de fluencia".
• Alargamiento permanente porcentual: variación de longitud entre marcas de la probeta de ensayo
sometida previamente a una tensión prescrita y después descargada, se expresa en porcentaje (%) de
la longitud inicial entre marcas.
• Longitud entre marcas: Longitud de la parte cilíndrica o prismática de la probeta de ensayo, en
cualquier momento antes o durante el ensayo, sobre la cual se mide el alargamiento. Se expresa en
milímetros.
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• Propiedades mecánicas: propiedades del material asociadas a las reacciones elásticas o inelásticas,
cuando se le aplica a una carga y que establecen relaciones tensión − deformación.
• Resistencia: tensión máxima que puede soportar un material a determinada solicitación mecánica.
• Extensómetro: Aparato destinado a medir deformaciones lineales.
CONCLUSION
Para finalizar, este informe sobre el ensayo de tracción a un material no ferroso como el bronce (el que
acabamos de estudiar), deja en claro el hecho el conocimiento y la importancia de este, quizás no es sólo
personal, si que además estas hojas pueden posiblemente caer en manos de una persona que anteceda este
laboratorio de ciencias.
Posiblemente algunos de los cálculos realizados aquí, no se encuentren en el rango al cual debería estar,
debido a un mal manejo en la calculadora, la inexactitud en la muestra, el aumento de tamaño de la curva
debido a la fotocopia, etc. Pero dejamos en sí la idea fundamental de este ensayo, que es la matriz primordial
del informe presentado.
BIBLIOGRAFIA
• "Introducción a la metalurgia física"; de Sydney Avner; editorial McGraw Hill.
• "Ciencias de materiales para ingeniería"; de Carl Keyser; editorial Limusa.
• "Clases práctica de este método"; Ayudante Sebastián Luna.
• "Normas Chilenas" NCh 200 of. 72.
• "Proyecto de laboratorio para ensayos de materiales"; de Guillermo Cortés y Pedro Villalobos; tesis
(clasificación " 954).
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