Tracción estática de metales - Escuela Industrial Superior

ESCUELA INDUSTRIAL SUPERIOR
Anexa a la Facultad de Ingeniería Química
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL
Tema: RESISTENCIA DE MATERIALES
Ensayo: Tracción estática de metales
Normas consultadas:
IRAM IAS U500 - 102 “Productos de acero. Método de ensayo de tracción. Condiciones
generales”.
Material a ensayar:
Procedencia:
Fecha de ensayo:
Máquina empleada:
Sensibilidad del ensayo:
Accesorios:
Temperatura de ensayo:
Tiempo requerido para el ensayo:
Especialidad:
Asignatura:
Curso:
Alumno:
Fecha de entrega:
Laboratorio de Ensayos de Materiales – Año 2010
TEORÍA
Objetivo del ensayo.
El ensayo a tracción es el que mejor verifica el comportamiento de los metales cuando son
sometidos a cargas estáticas, pues no solo permite deducir algunas de sus propiedades
tecnológicas más importantes (tenacidad, ductilidad, etc) sino que también se puede obtener
el límite de elasticidad o el que lo reemplace en el caso de que no lo hubiera, la carga
máxima y la consiguiente resistencia estática en base a cuyo valores se puede determinar la
tensión admisible o de trabajo.
Equipamiento utilizado.
Las máquinas empleadas para la realización de ensayos de tracción de barras son del tipo
denominado “universal” por adaptarse a experiencias de compresión, flexión, corte e
inclusive torsión en algunos de sus modelos.
En las siguientes figuras 1 y 2 indicamos las máquinas verticales de las casas “Amsler” de
50t y “Riehle” de 72.5t.
Figura 1. Máquina Amsler
Figura 2. Máquina Riehle
La máquina Amsler, de accionamiento hidráulico, está constituido por los siguientes
conjuntos principales:
• Bomba de aceite con inyección regulada
• Prensa hidráulica
• Dinamómetro registrador de cargas y diagrama.
La variante fundamental entre una máquina universal de ensayo y una prensa hidráulica
radica en dispositivo para registrar las cargas aplicadas y las deformaciones del material.
Funcionamiento de la máquina universal.
El registrador de esfuerzos es un dinamómetro pendular hidráulico y su principio de
funcionamiento se deduce de la representación esquemática de l figura 3. En la misma se
Laboratorio de Ensayos de Materiales – Año 2010
puede observar que la presión del aceite que actúa en la prensa se comunica a un pequeño
cilindro, el que posee un émbolo e cuyo vástago acciona una palanca f que desplaza hacia
arriba a un par de barras g, imprimiendo un movimiento de rotación a la palanca acodada h
que finalmente desplaza la varilla roscada l que mueve la aguja del registrador.
Para equilibrar el esfuerzo transmitido, el sistema posee un péndulo t, solidario al eje de
rotación de la palanca h, el que cuenta con un contrapeso u que puede ser desplazado y
fijado en distintas posiciones de acuerdo a las cargas máximas a equilibrar, obteniéndose
como consecuencia escalas apropiadas en el registrador.
Figura 3. Esquema de funcionamiento.
Probetas.
Son muestras de material, de dimensiones normalizadas con las que se efectúa el ensayo.
Pueden ser de sección circular o rectangular según si el material a ensayar sea una barra o
se trate de una chapa o planchuela.
En las figuras 4 a y b se muestra una de cada tipo, distinguiéndose en ambas las siguientes
características principales:
• Poseen en los extremos zonas reforzadas (de mayor dimensión que la sección de
ensayo) que sirven para fijarlas a las mordazas de la máquina. Las mordazas son
piezas con superficies de contacto estriadas para impedir el deslizamiento de la
probeta, una vez que ella está colocada en posición.
• Poseen una zona central de sección uniforme. La longitud de la zona central se
denomina longitud de trabajo y las normas fijan su medida en función de las
dimensiones de la sección de la probeta.
• Poseen además, una zona de enlace o unión (interfase) definidas entre las dos zonas
anteriores, en la que la sección cambia en forma gradual suave.
b)
a)
Figura 4 a) Probetas de sección circular
Figura 4 b) Probetas de sección rectangular
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Fijación de la probeta.
La fijación de la probeta se realiza por medio de mordazas que consisten en piezas que se
acuñan en un alojamiento (figura 5) presionando los extremos de la probeta. Poseen
superficies interiores estriadas para impedir el deslizamiento.
Figura 5
Figura 6. Diagrama de carga deformación
Diagrama de tensión deformación.
Si a los valores de la carga P de la figura 6 se los divide por el área de la sección recta de la
probeta, se obtienen los valores de la tensión aplicada en cada momento. Si también se
dividen las deformaciones δ por la longitud de trabajo, se obtienen valores de las
deformaciones unitarias ε.
Si con dichos valores construimos un diagrama de tensiones en función de las
deformaciones unitarias la forma del mismo será similar al de la figura 6. Sin embargo, éste
en general es el mismo, cualquiera sea la probeta siempre que se trate del mismo metal. Es
en realidad un diagrama propio del material y no de la forma de la probeta. Dicho diagrama
se puede observar en la figura 7.
Figura 7. Diagrama convencional del acero
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Características de la curva para el acero de bajo contenido de carbono.
Al comenzar el ensayo (figura 7) el diagrama presenta un tramo recto en el que se verifica
proporcionalidad entre las tensiones y deformaciones. Este tramo que finaliza en el punto P
se denomina período de proporcionalidad y en él se cumple la Ley de Hooke:
σ=ε.E
A la tensión σp se la denomina límite de proporcionalidad y es aproximadamente de 2000
kg/cm² para este material.
A medida que la tensión sigue aumentando, el diagrama comienza a curvarse perdiendo
pendiente hasta alcanzar el punto E para el cual la tensión σE se denomina límite de
elasticidad. Se destaca que hasta este punto el material se comporta de manera elástica, de
modo que si se retira la paulatinamente la carga el diagrama se recorre en sentido inverso
en el mismo camino y la probeta retoma su longitud primitiva, no registrándose
prácticamente deformaciones permanente.
Al tramo de la curva comprendido entre O y E se lo denomina período elástico, se puede
apreciar que la primera parte del mismo es el período de proporcionalidad 0P.
La deformación unitaria εP correspondiente al período de proporcionalidad es
aproximadamente 0.001 (una milésima). Se puede expresar también en valores
porcentuales, que correspondería 0,1%. Debido a que los límites de proporcionalidad y
elasticidad se encuentran demasiados próximos suelen confundirlos.
Si a partir del punto E seguimos aumentando la tensión, el diagrama se curva cada vez más
hasta que después de F adquiere una forma aproximadamente horizontal; el material cede
sin que se incremente la tensión. A este proceso se lo denomina fluencia. Este período de
fluencia comienza con una deformación unitaria de aproximadamente de 0.15 a 0.20% y
finaliza con aproximadamente con el 2% (una deformación muy grande en relación con la del
período elástico). Durante el período de fluencia se suelen registrar fluctuaciones,
ondulaciones que son apreciadas en el diagrama.
La tensión σF o o límite de fluencia es aproximadamente 2400 Kg/cm². Durante la fluencia el
material sufre un proceso de re-acomodamiento de su estructura cristalina, pero finalizado el
mismo vuelve a ofrecer resistencia a la deformación. Para que se produzcan nuevas
deformaciones será necesario aumentar la tensión con lo que la curva comienza a subir
nuevamente.
Cuando la tensión alcanza el valor de σR denominada resistencia máxima o de rotura, la
probeta comienza a deformarse rápidamente y termina rompiéndose por separación en dos
partes. La rotura se verifica en algún lugar de la parte cilíndrica, seguramente donde por
algún defecto el material es más débil. Para el acero que nos ocupa, ésta rotura se produce
luego de que la sección correspondiente se reduce notoriamente. A ésta reducción se la
denomina estricción y se la muestra en el croquis de la figura 8. Para este tipo de acero la
tensión máxima σR o tensión de rotura es de aproximadamente 3700 kg/cm².
Figura 8. Tipos de fractura
a) Fractura de cizallamiento dúctil, b) Fractura completamente dúctil,
c) Etapa de fractura copa-cono, d) Fractura frágil.
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La deformación unitaria promedio (existen zonas poco deformadas y otras muy deformadas
como la zona de estricción) es de aproximadamente 25 a 30%.
Desde el punto E hacia delante y hasta la rotura, el proceso es plástico y específicamente
entre F y F’ toma en nombre de período de fluencia, como ya se indicó anteriormente.
El diagrama de línea continua que va entre F’ y la rotura R se obtiene refiriendo la carga a la
sección inicial de la probeta. Si el cálculo de la tensión en cada momento se realizase en
relación con la sección que se va reduciendo paulatinamente, entonces se obtendría el
diagrama de líneas de trazos que se observa por arriba. Al primero se lo denomina
convencional y al segundo diagrama real.
TRABAJO PRÁCTICO
Probeta de ensayo.
Croquis:
Diámetro [mm]
Sección [mm²]
Longitud entre marcas [mm]
Valores iniciales
Do =
So =
Lo =
Valores Finales
D=
S=
L=
Diagrama del ensayo.
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Resultados del ensayo.
Designación
Símbolo
Fórmula
Carga al límite proporcional
Pp
Del gráfico
[kg]
Carga al límite de fluencia
Pf
Del gráfico
[kg]
Pmax
Del gráfico
[kg]
Tensión al límite proporcional
σP
Pp/So
[kg/cm²]
Tensión al límite de fluencia
σf
Pf/So
[kg/cm²]
Resistencia estática a la tracción
σet
Pmax/So
[kg/cm²]
Deformación específica al límite de
proporcionalidad
εp
∆Lp/Lo * 100
%
Módulo elástico al límite de
proporcionalidad
E
σp/εp
[kg/cm²]
Alargamiento de rotura
δ
(Lf-Lo)*100/Lo
%
Estricción
Ψ
(Sf-So)*100/So
%
Carga máxima
Fractura de la probeta
Conclusiones.
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Valor
Unidad