RESISTENCIA DE MATERIALES RESISTENCIA DE MATERIALES

Procesos de Fabricación I. Guía 1 1
RESISTENCIA DE
MATERIALES
Resistencia de Materiales. Guía 1
1
Tema: ENSAYO DE TRACCIÓN.
Contenidos
Módulo de elasticidad
Límite de elasticidad
Resistencia de fluencia
Resistencia última
Resistencia a la rotura
Resiliencia
Tenacidad
Elongación
Reducción de área
Objetivos
Específico
Al finalizar la práctica el alumno será capaz de:

Describir el desarrollo del ensayo de tracción, ejecutada de acuerdo a la
norma ASTM A-615 en máquinas de tamaño adecuado, con personal especializado y
con tecnología reciente en nuestro país, y conocer los resultados obtenidos.

Elaborar la gráfica esfuerzo deformación del mismo, con el cual calculará
para el material sometido a carga uniaxial las propiedades de:
a- Módulo de elasticidad
b- Límite de Elasticidad
c- Resistencia de fluencia
d- Resistencia última
e- Resistencia a la rotura
f- Resiliencia
g- Tenacidad
h- % de elongación
i- % de reducción de área
Resistencia de Materiales. Guía 1
2
Marco Teórico
Para conocer el comportamiento de los componentes o piezas de una estructura en
distintas situaciones, sometemos los materiales con las que fueron fabricados a una
diversidad de ensayos y pruebas; el ensayo destructivo más importante es el ensayo
de tensión, debido a la diversidad de parámetros que es posible medir a partir del
mismo. Para realizar este ensayo, se debe elaborar una muestra del material, a la
que llamaremos probeta, exactamente del mismo material de que está hecha la pieza y
colocarla en una máquina especial, la que consiste básicamente de un marco muy
resistente y dos mordazas, una fija y otra móvil. La máquina cuenta con sensores de
carga (fuerza aplicada a la probeta), y de desplazamiento, así como un dispositivo
que elabora la gráfica del ensayo. 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.
La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una
velocidad (en milímetros por minuto: mm/min) previamente seleccionada. La celda de
carga conectada a la mordaza fija genera una señal eléctrica proporcional a la
carga aplicada, en un eje se gráfica el desplazamiento y en el otro eje la carga
leída.
FIGURA No. 1.
1. CONDICIONES AMBIENTALES.
Salvo especificación en contrario, el ensayo se lleva a cabo a la temperatura
ambiente (entre 10° y 35° C). Para los ensayos que deban realizarse en condiciones
controladas, la temperatura ambiente deberá mantenerse a (23 + 5) ° C.
Resistencia de Materiales. Guía 1
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2. PROBETAS, FORMA Y MEDIDAS
La forma y las medidas de las probetas dependen de los materiales y aplicaciones
cuyas características mecánicas se desean determinar.
La probeta se obtendrá, generalmente, por mecanizado de una muestra obtenida del
producto o de una muestra moldeada. En el caso de productos de sección constante
(perfiles, barras, alambres, cables etc.) o de las muestras en forma de barras
obtenidas por moldeo (por ejemplo: fundición o aleaciones no férreas) se pueden
utilizar como probetas las muestras sin mecanizar.
La sección recta transversal puede ser circular, cuadrada, rectangular, anular o,
en ciertos casos particulares, de otras formas.
Probetas mecanizadas: Las probetas mecanizadas deberán tener un radio de acuerdo
suave entre la parte calibrada y las cabezas de amarre, ya que ambas partes son de
diferente medida, esto se hace con el propósito de disminuir la concentración de
esfuerzos. Las cabezas de amarre pueden ser de cualquier forma que se adapte a los
dispositivos de sujeción de la máquina de ensayo.
En la tabla 1 se muestran las dimensiones normalizadas de probetas cilíndricas. La
figura 2 indica las dimensiones a que se refiere la tabla 1. Seleccionaremos la
probeta ASTM para
ejecutar los ensayos.
Tabla 1: Dimensiones normalizadas de probetas cilíndricas, normales y reducidas,
según norma ASTM E-8M.
DIMENSIONES (mm)
Probetas
L0
D
Lc
r
12.5
62.5 ± 0.1
12.5± 0.1
75
10
9
45.0 ± 0.1
9.0 ± 0.1
54
8
6
30.0 ± 0.1
6.0 ± 0.1
36
6
4
20.0 ± 0.1
4.0 ± 0.1
24
4
2.5
12.5 ± 0.1
2.5 ± 0.1
20
2
Resistencia de Materiales. Guía 1
4
Fig. 2 Probeta normalizada
3. PARÁMETROS A OBTENER A PARTIR DEL ENSAYO:
A
partir
del
ensayo
de
tensión
podremos
obtener
los
parámetros
mencionados
anteriormente, usualmente, la máquina de tensión proporciona la gráfica del ensayo
(ver figuras 3 y 4); y a partir del estudio del mismo, determinamos el valor de los
diferentes parámetros. También es frecuente que la misma máquina proporcione en
forma
impresa
los
valores
de
resistencia
última
en
tensión,
fuerza
máxima,
resistencia de fluencia.
A continuación observamos dos gráficas, la fig.3 muestra una gráfica de fuerza
contra deformación, la figura 4 muestra una gráfica de esfuerzo técnico contra
deformación técnica unitaria.
Fig. 3 Gráfica fuerza contra deformación
Fig. 4 Gráfica esfuerzo técnico
contra deformación unitaria
Aunque ambas se parecen mucho, para un análisis general, es más útil la gráfica 4
que la 3, ya que la gráfica 3 depende de las dimensiones de la probeta, en cambio
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la gráfica 4 representa el comportamiento del material en un ensayo uniaxial sin
importar las dimensiones de la probeta.
En la figura 4 observamos que desde el origen de coordenadas sale una línea recta,
esta pendiente o inclinación de la recta representa el módulo de elasticidad del
material (E), es decir la cantidad de fuerza por unidad de área requerida para
producir una cantidad unitaria de deformación. Todas las piezas en servicio están
diseñadas para trabajar en este rango. Pieza que se somete a un esfuerzo superior
al de la parte recta, sufre una deformación permanente y ya no es segura para
desempeñar su función, por lo que se debe descartar y sustituir por una nueva
pieza, a menos que el propósito sea producir una deformación permanente, como
sucede en varios procesos de fabricación como el trefilado, la forja, el embutido.
Para medir esta pendiente es necesario generalmente efectuar una ampliación de la
figura en esa zona, de lo contrario, esta parte recta da la impresión de ser
vertical (en los aceros la pendiente usualmente es de 200 MPa).
Otro parámetro de interés es el límite de elasticidad, que en el caso de la gráfica
4, también coincide con la resistencia de fluencia (o cedencia), y es el punto en
el extremo superior de la recta. La importancia de este parámetro es que señala el
límite a partir del cual las deformaciones no solamente serán elásticas, sino que
también plásticas (permanentes).
Uno de los parámetros más importantes en el ensayo de tensión es la resistencia
última o resistencia de tensión. Este punto es el de mayor valor de la gráfica en
el eje de las ordenadas (σm en la gráfica 4) y en los materiales frágiles sirve de
referencia para el factor de seguridad. Una pieza que tiene un factor de seguridad
de tres, por ejemplo, está diseñada para soportar en uso un esfuerzo cuyo máximo
valor es la tercera parte de su resistencia de tensión, o en otras palabras, falla
totalmente si se le aplica el triple de los esfuerzos para los que fue diseñada.
El ensayo de dureza también tiene una correlación con este valor. Por ejemplo, si
la dureza Brinell de un acero es de 400, también significa que la resistencia
última es de 200,000 psi (es decir 28.5 MPa), ya que la resistencia última es igual
a la dureza multiplicada por 500.
Al final de la gráfica tenemos un punto que indica la resistencia de rotura, el
cual también es tomado en algunos casos como referencia de que tan cerca puede
estar un esfuerzo de la falla de rotura.
El área (triángulo formado por la recta que parte desde cero, hasta llegar al punto
de fluencia, y luego abatiendo para leer el valor de la abscisa) se le llama
RESILIENCIA y representa la energía por unidad de volumen que absorbe el material
en la región elástica, una de sus utilidades es la selección de materiales aptos
para construir resortes; entre mayor es el área mencionada, más energía por unidad
de volumen puede almacenar el material, lo cual es deseable en toda pieza que
funcione absorbiendo energía y después regresarla al disminuir la deformación. En
Resistencia de Materiales. Guía 1
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la figura 5 se observa lo antes mencionado.
Fig. 5. El último punto representa
Fig. 6. El último punto de la gráfica es la
el límite elástico del material,
resistencia
el área bajo la curva representa
curva representa la tenacidad del material
a
la
rotura,
el
área
bajo
la
la resiliencia del material
El área total bajo la curva de la Fig. 6 representa la energía que absorbe el
material al deformarse hasta la rotura, propiedad llamada TENACIDAD, los materiales
tenaces (soportan mucha deformación antes de romperse) son deseables en aquellas
piezas expuestas a los choques, ya que absorben buena parte de la energía del
choque y evitan que la energía se transmita dañando producto o al personal en un
vehículo. Por ejemplo, es usual decir que los vehículos no los hacen como antes, ya
que
un
ligero
golpe
produce
una
gran
abolladura,
pero
ahí
el
material
está
desempeñando su función al absorber la energía del choque. Otro ejemplo es la de
los edificios, los cuales, en sus columnas llevan un alma de barras o varillas de
acero, que en caso de terremoto absorberán energía, disminuyendo la posibilidad de
una catástrofe.
Los dos parámetros restantes se miden posterior al rompimiento de la probeta, tiene
que ver con la ductilidad del material ensayado (capacidad de deformarse antes de
romperse) y son: El % de elongación y el % de reducción de área.
Para medir el % de elongación se toman de referencia los dos puntos hechos con el
punzón en la probeta antes del ensayo, la tabla 1 indica la distancia original
(distancia L0); después de la rotura, las dos partes de la probeta vuelven a unirse
y se procede a medir la deformación permanente ΔL (Lrotura-L0) entre los dos puntos,
Resistencia de Materiales. Guía 1
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la cual será mayor por el estiramiento de la probeta, Esta deformación se divide
entre el L0 original multiplicado por el 100 %, es el % de elongación. A mayor % de
elongación de un
material más dúctil es. Es decir: ε = (ΔL/L0)x100 %
Fig. 6
Probeta después del ensayo de tracción.
Para medir el % de reducción de área, se calcula el área original con el diámetro D
de la tabla 1, después de la rotura, se unen las dos partes y se mide la parte mas
delgada de la rotura, con esto se calcula el área final. El % de reducción de área
se obtiene restando al área original la final y dividiendo esta resta entre el área
original. % R.A: = [(A0 – Af)/A0] x100 %.
Descripción del ensayo
Elaborada la probeta del material a ensayar, se marca sobre ella dos puntos con un
granete o punzón, separados una longitud L0, tal como lo indican la tabla 1 y la
figura 2.
Se monta la probeta en las mordazas de la prensa, se fija el extensómetro a los
puntos marcados con el granete y se aumenta la carga F con una velocidad v = 10 mm
/ min, al llegar al momento en que la carga deje de aumentar, o incluso disminuya
ligeramente, estaremos en la región de fluencia; posteriormente veremos un aumento
gradual en la carga hasta llegar a un máximo, cerca del cual comenzará a formarse
un “cuello” o estricción (adelgazamiento) de la probeta que irá acompañado de una
ligera reducción de la carga hasta alcanzar la carga de rotura. Si inmediatamente
después de la rotura se toca la parte más deformada, se detectará un calentamiento
de la zona debido a la deformación de la misma.
Procedimiento
1.- Identificación de los materiales proporcionados.
No
olvide
tomarle
fotos
a
la
probeta,
antes
y
después
del
permitido, tomar un video del ensayo. Llene la siguiente tabla.
ensayo,
si
fuera
Resistencia de Materiales. Guía 1
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Tabla 1
Material
Descripción
Dimensiones iniciales
observaciones
Aceros
Aluminio
2.- Mida en las probetas ensayadas la distancia entre los puntos, y el diámetro
mínimo en la zona de estricción y calcule el % de elongación y el % de reducción de
área y anótelos en la siguiente tabla
Tabla 2
Material
Dimensiones finales
% de elongación
% de reducción de área
3.- A partir del gráfico obtenido mediante el ensayo, determine: El módulo de
elasticidad,
la
resistencia
de
fluencia,
la
resistencia
a
la
tracción,
resistencia de rotura, la resiliencia y la tenacidad y llene la siguiente tabla.
Tabla 3
Tipo de material
Propiedad
Modulo elástico
(GPa)
Resistencia de
fluencia (MPa)
Resistencia última
(MPa)
acero
acero
aluminio
la
Resistencia de Materiales. Guía 1
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Resistencia de
rotura (MPa)
Resiliencia (MPa)
Tenacidad (MPa)
4.- Investigue las propiedades de uno de los materiales ensayados, tome en cuenta
el
estado
de
entrega,
complete
la
tabla
con
la
información
investigada
y
la
solicitada
Tabla 4
Tipo de material:
Propiedad
Según ensayo
Según la
% de diferencia
investigación
Modulo elástico
(GPa)
Resistencia de
fluencia (MPa)
Resistencia última
(MPa)
Resistencia de
rotura (MPa)
Resiliencia (MPa)
Tenacidad (MPa)
% de elongación
% de reducción de
área
5.- Anote toda otra información y observación relevante para la interpretación de
resultados
Resistencia de Materiales. Guía 1
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Análisis de resultados
Discusión
1. Indique la norma bajo la cual se efectuó lo ensayo
2. Mencione, citando la norma, los aspectos que no se cumplieron durante el
ensayo
3. Indique si se siguió estrictamente la norma bajo la cual se efectuó el ensayo
Investigación
Complementaria
a) Estudie como referencia, antes del laboratorio las Norma ASTM – A 615 y ASTM – A
564, o sus equivalentes.
b) Propiedades de los materiales ensayados en sitios confiables
Referencias
1. Ferdinand P.Beer y otros, Mecánica de Materiales,
5a. Ed. McGraw - Hill,
México, 2010
2. Madhjukar
Vable. Mecánica de materiales, primera edición, Oxford university
press, México 2002
3. Avner, S. (1988) Metalurgia Física, México D.F. McGraw-Hill. 2ª edición
4. Smith,
William
F.
(2006)
Fundamentos
de
la
Ciencia
e
Ingeniería
de
materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición
5. Askeland,
D.
R.,
Phulé
P.
P.
(2003)
La
ciencias
e
Ingeniería
de
los
materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición.
6. Neely, J. E., Kibbe, R.R. y García Diaz, R. (1992) Materiales y Procesos de
Manufactura.
México D. F. Limusa.
7. www.steel.org/
8. www.sae.org/
9. www.astm.org/
10. www.matweb.com/
11. http://asminternational.org
Resistencia de Materiales. Guía 1
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Elaboración de informe de laboratorio
1.- Reporte las dimensiones finales de las probetas necesarias para efectuar los
cálculos.
2.- Elabore las tablas y graficas que considere relevantes para respaldar sus
cálculos y conclusiones.
3.- Discutir los resultados y hallazgos.
4.- Elabore las conclusiones del ensayo, enfatizando en los aspectos relevantes de
la experiencia, tome en cuenta los objetivos del laboratorio.
Rúbrica de evaluación
Puntaje
Aspecto a evaluar:
obtenido/Puntaje
máximo
Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo
de la investigación, Nombre del tema, Nombres de
los
autores,
fecha
de
entrega.
Todas
las
partes
abreviado
(1
página
Requisito
deberán ser legibles
Objetivos
y
Procedimiento
máximo)
Examen previo (individual)
Mediciones efectuadas, reportadas según el criterio
de cifras significativas, Tabla 2
Cálculos tabla 2 (5 %) y tabla 3 (20 %)
Requisito
30
10
25
Investigación efectuada en libros, revistas, sitios
web y otros
(al menos en 3 sitios confiables),
10
citar fuentes
Discusión y recomendaciones
10
Comentarios
Resistencia de Materiales. Guía 1
Conclusiones:
Comparación
de
los
12
resultados
experimentales con lo reportado en libros o sitios
confiables
(éstos
se
tomarán
como
los
valores
teóricos), indicar si se lograron los objetivos o
10
no y porqué. Si fuera insuficiente la información
para hacer las comparaciones, indicar las fuentes
consultadas, a fin de que la nota no sea afectada.
Demuestra actitud de colaboración y respeto con el
grupo
Requisito
La ortografía debe ser impecable. La redacción debe
5
ser clara y concisa.
No lleva gabacha (individual)
-
10
Cálculos erróneos
-
10
No lleva guía de laboratorio (individual)
-
10
-
10
No colabora o se comporta indebidamente
(individual)
T
TOTAL
El
informe
se
entregará
una
semana
después
del
100
laboratorio,
ejemplo:
si
el
laboratorio se efectúa el lunes, a más tardar el lunes siguiente se entregará al
responsable del laboratorio. Entrega tardía: 10 % menos cada día. Si no cumple con
los requisitos se devolverá el informe, con la condición de regresarlo el día
siguiente, descontándosele 10 % por no cumplir con los requisitos y por cada día de
retraso se descontará 10 % adicional.
El alumno deberá respetar la normas de seguridad del laboratorio, si hay violación
a estas normas, el instructor podrá expulsar de la sesión al infractor, conllevando
a la perdida de la nota de esa sesión, sin posibilidad de solicitarla diferida.
Resistencia de Materiales. Guía 1
Hoja de cotejo:
Guía 1: ENSAYO DE TRACCIÓN
Alumno:
Máquina No:
Docente:
GL:
1
1
Fecha:
EVALUACION
%
1-4
5-7
CONOCIMIENTO
20%
Conocimiento
deficiente de
los fundamentos
teóricos
Conocimiento y
explicación
incompleta de
los fundamentos
teóricos
APLICACIÓN
DEL
CONOCIMIENTO
15%
Aplicación
deficiente de la
simbología
Uso deficiente
de los
accesorios
solicitados
Aplicación
deficiente de
las normas de
seguridad
Resultados de la
práctica son
deficientes
No tiene actitud
proactiva.
Aplicación
incompleto de la
simbología
Uso incompleto
de los
accesorios
solicitados
Aplicación
incompleta de
las normas de
seguridad
Resultados de la
práctica son
buenos
Actitud
propositiva y
con propuestas
no aplicables al
contenido de la
guía.
Demuestra
regulares
valores
profesionales
15%
15%
15%
ACTITUD
10%
10%
TOTAL
100%
Demuestra pocos
valores
profesionales
8-10
Conocimiento
completo y
explicación
clara de los
fundamentos
teóricos
Aplicación
excelente de la
simbología
Uso excelente de
los accesorios
solicitados
Aplicación
excelente de las
normas de
seguridad
Resultados de la
práctica son
excelentes
Tiene actitud
proactiva y sus
propuestas son
concretas.
Demuestra buenos
valores
profesionales
Nota
13