informe_lab_A2. - U

Introducción.
A continuación, se expondrán los resultados obtenidos luego de la realización del laboratorio A
“Ensayo de tracción con distintos materiales”, del curso Ciencias de los Materiales.
Para la realización de este laboratorio se procedió a trabajar con una probeta de acero SAE1020,
aluminio y bronce, las cuales fueron sometidas a un ensayo de tracción uniaxial, dónde se
sometían a tracción con una fuerza constante proporcionada por la máquina universal de Ensayo
INSTRON, con el objetivo principal de determinar las propiedades mecánicas de los tres
materiales, tales como: límite de fluencia, esfuerzo máximo, deformación máxima a la ruptura,
tenacidad y ductilidad.
Gracias a estos resultados es que se pueden resolver algunas interrogantes como: saber si
una estructura o artefacto durará para siempre, poder determinar a qué esfuerzos
máximos pueden ser sometidos, utilizar distintos materiales según sus propiedades
mecánicas para determinados requerimientos, entre otras. Por lo que cuantificar las
propiedades de los materiales, compararlas y analizarlas, es una importante herramienta
que permite que existan avances tan significativos en diversas áreas como: salud,
construcción, tecnología, computación, etc.
1
Marco teórico.
1. Acero SAE 1020
El acero SAE 1020 tiene una composición de 0.20% C; 0.60- 0.90% Mn; 0.04% P; 0.05% S. Este
acero es utilizado por responder bien al trabajo en frio y al tratamiento térmico de cementación.
Además tiene una alta tenacidad y una baja resistencia mecánica, por lo que es adecuado para
elementos de maquinaria.
2. Aluminio
El aluminio es un elemento muy abundante en la corteza terrestre. Como características
principales se puede mencionar su bajo punto de fusión y que puede formar aleaciones muy
resistentes. Además es tenaz, dúctil, maleable y a pesar de ser muy liviano posee una dureza
significativa, lo que permite su variada utilización.
3. Bronce
El bronce es una aleación metálica de cobre y estaño, donde éste último se presenta entre un 320%. Sus principales características son: su buena conducción eléctrica y de calor, un elevado calor
específico, pero por sobre todo destaca por su resistencia a la corrosión, lo que lo hace ser
utilizado en implementos que deben permanecer al aire libre, lo que lo convierte en un material
muy utilizado.
4. Ensayo de tracción
El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo
axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la
resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. La velocidad a la que
sucede este ensayo suele ser de un orden muy pequeño.
Figura 1: Máquina universal de tracción
2
Para la realización del ensayo de tracción se utiliza una máquina universal de ensayo INSTRON,
como se muestra en la Figura 1, semejante a una prensa con la que es posible medir propiedades
mecánicas de los materiales.
La presión se logra mediante placas o mandíbulas accionadas por tornillos o un sistema hidráulico.
5. Esfuerzo
El esfuerzo puede ser considerado como esfuerzo de ingeniería, que considera la fórmula 1
dividida por el área inicial, o como esfuerzo verdadero, donde se considera el área real en la
fórmula descrita.
Ecuación 1: Esfuerzo
6. Deformación
La deformación se define como:
Ecuación 2: Deformación unitaria de ingeniería
Ecuación 3: Deformación unitaria real
Por asuntos de simplicidad y convenciones, los trabajos suelen estar orientados y basados con los
términos ingenieriles, no con los verdaderos.
Una forma típica de representar los resultados obtenidos en los ensayos de tracción, es mediante
una gráfica esfuerzo – deformación, como la que se indica en la figura 2.
Este gráfico responde a un modelo general, pero varía sus valores según el material con el que se
trabaje.
3
Figura 2: Gráfico esfuerzo-deformación
En la figura 2, es posible distinguir dos zonas de comportamiento del ensayo: una zona elástica y
otra plástica. En la primera, la deformación es no permanente, es decir, si se eliminan los
esfuerzos externos el material vuelve a su forma original, además, el comportamiento en esta
zona es lineal, obedeciendo a la ley de Hooke. Mientras que la zona plástica ocurre totalmente lo
contrario, una vez alcanzada esta zona, el material no logra volver a su configuración inicial.
7. Límite de fluencia
El límite de fluencia es el punto a partir del cual el material se deforma plásticamente. Hasta esa
tensión el material se comporta elásticamente, siguiendo la ley de Hooke:
Ecuación 4: Ley de Hooke.
8. Esfuerzo máximo
El esfuerzo máximo es el máximo valor que se puede aplicar sobre el material. Cuando el esfuerzo
se iguala al esfuerzo máximo se inicia la estricción y luego la fractura del material.
9. Deformación máxima a la ruptura
Corresponde al máximo estiramiento al que se puede someter cierto material antes de que falle.
Para poder determinar esta propiedad de manera gráfica, se usa una regresión de datos, es decir,
se calcula el módulo de Young, usando datos de la recta de comportamiento elástico y se genera
una nueva recta para el caso de la máxima deformación, asumiendo que en ese punto, como el
comportamiento es plástico, es permanente. Esto se muestra en la siguiente figura, dónde la recta
que nace desde el punto c, representa la recta generada con la regresión, pues tiene igual
pendiente que la recta en la zona elástica.
4
Figura 3: Gráfico representativo de Regresión de Datos
10.
Ductilidad
La ductilidad es una medida de la cantidad de deformación plástica que puede darse en un
material antes que éste se rompa. Puede ser medida como función de la elongación o del área.
Ecuación 5: Ductilidad como variación de la elongación
Ecuación 6: Ductilidad como variación del área
11.
Tenacidad
En ciencia de materiales, la tenacidad es la energía total que absorbe un material antes de
alcanzar la rotura, por acumulación de dislocaciones.
5
Metodología.
Se trabajó con tres probetas, una de acero SAE 1020, otra de Aluminio y una tercera de Bronce.
Para poder determinar diferentes propiedades mecánicas de cada una de ellas, estas son
sometidas a un ensayo de tracción uniaxial, con el uso de la máquina universal de ensayo
INSTRON. El tipo de ensayo a realizar es esencialmente el mismo para los tres materiales: se coloca
una probeta en la máquina, midiendo previamente largo y sección inicial, se procede a aplicar
carga en forma creciente y continua al material, registrando cada cierto intervalo la carga y la
deformación que experimenta el material. La carga se aplica hasta la ruptura de la probeta. Una
vez que se ha alcanzado la ruptura se debe medir el largo y la sección final.
Figura 4: Probetas
Gracias a la utilización de la máquina universal de ensayo INSTRON, es que se obtiene en detalle
los resultados de extensión, carga, esfuerzo de tracción, tenacidad, extensión de tracción y
deformación de tracción, con los cuales se puede desarrollar el trabajo.
6
Resultados y discusión.
Los datos iniciales de largo y sección de área se presentan en la siguiente tabla:
Tabla 1: Diametro y Largo inicial de probetas
Diámetro inicial [mm]
Acero
5
Aluminio 4,5
Bronce
5
Largo inicial [mm]
82
78,6
66,6
Siguiendo los primeros pasos descritos en la sección Metodología, se obtuvieron los datos finales,
luego de la ruptura de las probetas y se muestran en seguida:
Tabla 2: Diametro y Largo final de probetas
Diámetro final [mm]
Aluminio 3
Acero
3,3
Bronce
4,1
Largo final [mm]
88
82,35
75,7
Fácilmente se puede notar que lo resultados son acorde de los esperados, ya que al traccionar un
material, este comienza a alargarse y para mantener su volumen, debe necesariamente
angostarse, como se logra apreciar en Figura 5:
Figura 5: resultado de un ensayo de tracción uniaxial
7
Con los datos obtenidos de las tablas 1 y 2, se puede hacer un análisis de cuál fue la variación
porcentual de cada probeta, para esto se calcularon las variaciones de largo final menos el inicial,
al igual que para el diámetro.
Tabla 3: Variaciones de largo y diámetro
∆ diámetro [mm]
Acero
-2
Aluminio -1,2
Bronce
-0,9
∆ largo interno [mm]
6
3,75
9
Es fácil notar que el bronce es el material que presenta una mayor variación en su largo, pero es el
que presenta menor variación en el diámetro, mientras que el acero es el que presenta mayor
variación de diámetro.
Con todos los datos necesarios, se realizó un análisis para cada uno de los materiales, con ayuda
de los datos entregados por la máquina universal de ensayo INSTTRON, obteniendo:
1. Acero:
Curva Esfuerzo - Deformación
700
Esfuerzo [MPa]
600
500
400
300
200
100
-100
0.00
0.01
0.01
0.02
0.03
0.03
0.04
0.04
0.05
0.06
0.06
0.07
0.08
0.08
0.09
0.09
0.10
0.11
0.11
0.12
0.13
0.13
0.14
0
Deformación [mm/mm]
Gráfico 1: Esfuerzo- deformación ACERO
De la simple inspección del gráfico 1, es posible decir que el comportamiento elástico se produce
hasta aproximadamente los 0,073 [mm/mm], dónde la recta comienza a curvarse. En ese punto el
esfuerzo es de 623,47 [Mpa], por lo que esta medida corresponde al esfuerzo de fluencia, por
definición de éste.
Otro punto que se encuentra por análisis del gráfico es el máximo esfuerzo, que tiene un valor de
663,01 [Mpa], y está asociado a una deformación de 0,112 [mm/mm]. La Tenacidad máxima
también se obtiene en este punto, y tiene un valor de 13.274,83 [gf/tex] para una carga de
13.018,17 [N], como se puede apreciar a continuación:
8
Curva tenacidad - tiempo
14000
Tenacidad [gf/tex]
12000
10000
8000
6000
4000
2000
-2000
0.0
6.2
12.4
18.6
24.8
31.0
37.2
43.4
49.6
55.8
62.0
68.2
74.4
80.6
86.8
93.0
99.2
105.4
111.6
117.8
124.0
130.2
136.4
0
Tiempo [s]
Gráfico 2: Curva tenacidad - tiempo ACERO
La deformación de 0,14 [mm/mm] corresponde al punto exacto dónde se genera la fractura
definitiva de la probeta, entonces se utiliza el método de regresión lineal explicado en Marco
Teórico para obtener la siguiente recta de comportamiento elástico:
σ = 9.022,47*ε – 70
Ecuación 7: Recta representativa comportamiento lineal ACERO
Se tiene un módulo de Young de 9.022,47 [Mpa]
Para la ductilidad, se utiliza la ecuación 5 y 6, resultando ser igual a:


Variación de longitud: 7,3%
Variación de área: -64%
9
2. Aluminio:
Curva Esfuerzo - Deformación
300
Esfuerzo [MPa]
250
200
150
100
50
0.00
0.01
0.01
0.02
0.02
0.03
0.03
0.04
0.05
0.05
0.06
0.06
0.07
0.07
0.08
0.09
0.09
0.10
0.10
0.11
0.11
0.12
0.13
0
Deformación [mm/mm]
Gráfico 3: Curva esfuerzo - deformación ALUMINIO
De la simple inspección del gráfico 3, es posible decir que el comportamiento elástico se produce
hasta aproximadamente los 0,058 [mm/mm], dónde la recta comienza a curvarse. En ese punto el
esfuerzo es de 253,45 [Mpa], por lo que esta medida corresponde al esfuerzo de fluencia, por
definición de éste.
Otro punto que se encuentra por análisis del gráfico es el máximo esfuerzo, que tiene un valor de
285,08 [Mpa], y está asociado a una deformación de 0,106 [mm/mm]. La Tenacidad máxima
también se obtiene en este punto, y tiene un valor de 4.623,40 [gf/tex] para una carga de
4.534[N], como se puede apreciar a continuación:
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
9
18
27
36
45
54
63
72
81
90
99
108
117
126
135
144
153
162
171
180
189
198
Tenacidad [gf/tex]
Curva Tenacidad - Tiempo
Tiempo [s]
Gráfico 4: Curva tenacidad - tiempo ALUMINIO
10
La deformación de 0,13 [mm/mm] corresponde al punto exacto dónde se genera la fractura
definitiva de la probeta, entonces se utiliza el método de regresión lineal explicado en Marco
Teórico para obtener la siguiente recta de comportamiento elástico:
σ = 4.687,77*ε – 30,21
Ecuación 8: Recta representativa comportamiento lineal ALUMINIO
Se tiene un módulo de Young de 4.487,77 [Mpa]
Para la ductilidad, se utiliza la ecuación 5 y 6, resultando ser igual a:


Variación de longitud: 4,7%
Variación de área: -46,2%
3. Bronce:
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.11
0.12
0.12
0.13
0.14
0.15
0.16
0.17
0.18
0.19
0.20
0.20
Esfuerzo [MPa]
Curva Esfuerzo - Deformación
Deformación [mm/mm]
Gráfico 5: Curva esfuerzo - deformación BRONCE
De la simple inspección del gráfico 5, es posible decir que el comportamiento elástico se produce
hasta aproximadamente los 0,068 [mm/mm], dónde la recta comienza a curvarse. En ese punto el
esfuerzo es de 346,02 [Mpa], por lo que esta medida corresponde al esfuerzo de fluencia, por
definición de éste.
Otro punto que se encuentra por análisis del gráfico es el máximo esfuerzo, que tiene un valor de
419,87 [Mpa], y está asociado a una deformación de 0,165 [mm/mm]. La Tenacidad máxima
también se obtiene en este punto, y tiene un valor de 8.406,74 [gf/tex] para una carga de
8.244,19[N], como se puede apreciar a continuación:
11
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0.00
7.41
14.82
22.23
29.64
37.05
44.46
51.87
59.28
66.69
74.10
81.51
88.92
96.33
103.74
111.15
118.56
125.97
133.38
140.79
148.20
155.61
163.02
Tenacidad [gf/tex]
Curva Tenacidad - Tiempo
Tiempo [s]
Gráfico 6: Curva tenacidad - tiempo Bronce
La deformación de 0,20 [mm/mm] corresponde al punto exacto dónde se genera la fractura
definitiva de la probeta, entonces se utiliza el método de regresión lineal explicado en Marco
Teórico para obtener la siguiente recta de comportamiento elástico:
σ = 4.947,48*ε – 29,6
Ecuación 9: Recta representativa comportamiento lineal ACERO
Se tiene un módulo de Young de 4.947,48 [Mpa]
Para la ductilidad, se utiliza la ecuación 5 y 6, resultando ser igual a:


Variación de longitud: 13,5%
Variación de área: -32,7%
4. Resultados finales
A modo de resumen, a continuación de presentar todos los resultados obtenidos durante el
análisis.
Límite
de Esfuerzo
fluencia
máximo
[MPa]
[MPa]
Acero
623,47
663,01
Aluminio
253,45
285,08
Bronce
346,02
419,87
Ductilidad
según largo[%]
Ductilidad
según área [%]
Tenacidad
máxima [gf/tex]
7,3
4,7
13,5
-64
-46,2
-32,7
13274,83
4623,4
8406,74
12
A modo general, se puede decir que existen diferencias grandes entres las propiedades mecánicas
de cada material, lo que explica los diferentes usos que tiene cada uno de ellos.
Respecto al límite de fluencia, el mayor valor lo presenta el acero, lo que indica que requiere un
mayor esfuerzo para pasar a la zona de comportamiento plástico, dónde la deformación es
permanente. El Aluminio presenta el menor valor de este esfuerzo, esto dice porqué el acero es
usado en construcción por ejemplo, pues es un material muy resistente y que requiere un gran
esfuerzo para comenzar a fallar. Así mismo el aluminio que es bastante liviano, tiene menor
resistencia si se le aplica una gran cantidad de esfuerzo. El bronce por otro lado, se encuentra en
un valor intermedio, entre los dos. El mismo análisis se puede hacer al comprar el esfuerzo
máximo, pues presentan la misma secuencia anterior, el mayor valor le corresponde al acero y el
menor al aluminio. Se hace necesario considerar que el esfuerzo máximo que soporta el acero,
duplica al del aluminio, lo que ratifica lo dicho anteriormente sobre su utilización.
La propiedad de la ductilidad, solo se puede comparar porcentualmente, es decir, no se conocen
los valores asociados a cada material. Usando una fórmula que relaciona esta propiedad en
función de la variación de los largo, el bronce es quien posee mayor ductilidad seguido del acero y
luego el aluminio, mientras que al comparar la ductilidad proveniente por variación de área, el
mas ductil resulta ser el acero, luego y el aluminio y, finalmente, el bronce. Además esta
propiedad es posible relacionarla con el tipo de corte que se produzca en la zona de falla de cada
material. La probeta de bronce, fue la única dónde la falla de fractura fue relativamente cercana a
45º y no con el típico cuello de botella, de la figura 5, lo que lo sigue calificando como un material
frágil, en los otros dos casos, la ruptura fue plana, y sin mayores diferencias entre ambas, por lo
que en ese caso resulta difícil poder analizar fielmente la ductilidad, ya que para esto sería
necesario observar de manera microscópica la superficie de corte de cada probeta y ver si es
rugosa (dúctil) o lisa (frágil).
Respecto a la tenacidad, sus resultados fueron graficados en función del tiempo, y su
comportamiento resultó ser igual a la curva de esfuerzo deformación de cada material (igual en
forma, con distintos valores). Los valores obtenidos indican que el acero es el material más tenaz,
es decir, es quién absorbe una mayor energía antes de fracturarse, lo que nuevamente puede ser
relacionado con el hecho de que el acero sin dudas es uno de los materiales más resistentes que
existen, y por eso su uso en aparatos y máquinas pesadas o construcción, dónde se requiere de
este tipo de características. El aluminio es el material menos tenaz de los analizados, pero a pesar
de esto, se sabe que cuando forma aleaciones puede llegar a ser muy resistente.
Un aspecto considerable dentro de todo lo expuesto con anterioridad son los errores asociados a
esta experiencia. Uno de los principales errores tiene relación con la cantidad de mediciones
realizadas, pues si se quiere tener un real análisis de las propiedades mecánicas de los materiales,
es necesario realizar una cantidad considerable de mediciones, para poder estimar promedios y
desviaciones, asunto que no se puede realizar en esta actividad, pues solo se medió un ensayo de
tracción uniaxial para cada material, por ende pueden existir valores que se escapen un poco de la
realidad.
13
Además la máquina universal en cierto sentido presenta unas imprecisiones, pues los dientes que
afirman las probetas se sueltan o incluso, se quiebran, afectando los resultados entregados. Sin
embargo esto no ocurrió o no fue visualizado.
14
Conclusiones
Los distintos materiales que existen y sus características permiten su utilización según sea
requerido, es decir, día a día se busca escoger el material más idóneo para determinada actividad.
Esta elección está determinada por las propiedades mecánicas de estos materiales, las cuales son:
Esfuerzo de fluencia, esfuerzo máximo, deformación a la ruptura, Tenacidad, ductilidad, entre
otras, las cuáles permiten decir cómo se comportará el material a determinadas condiciones,
cuáles valores máximos de esfuerzo podrá soportar e incluso en qué punto fallará.
Se consideraron tres materiales sumamente comunes, como lo son: acero, aluminio y bronce, de
los cuales se conoce a grandes rasgos su utilización en áreas de construcción, bicicletas y joyería
respectivamente. Con la realización de la actividad antes descrita, fue posible entender el porqué
de estos usos, pues al someter a los tres materiales a un ensayo de tracción, fue posible
determinar sus propiedades mecánicas, cuantificarlas y compararlas.
El acero, material usado en labores pesadas, dónde se requiere de una fuerte resistencia, presentó
el mayor esfuerzo de fluencia y esfuerzo máximo, es decir, es el que soporta una mayor cantidad
de esfuerzo antes de deformarse plásticamente y antes de fallar, lo que lo convierte sin dudas en
un material resistente.
El aluminio, es muy usado en la fabricación de bicicletas y autos, además de tener un fuerte uso
en minería. La principal característica que posee es su ductilidad y lo liviano que es. Resultó ser el
que presentó menor esfuerzo de fluencia, menor esfuerzo máximo, menor tenacidad y menor
ductilidad.
El último material corresponde al bronce, el cual presentó principalmente valores medios en casi
todas las propiedades calculadas, a excepción de la ductilidad donde posee mayor porcentaje en
comparación a su largo, lo que no lo convierte en un material usable en aplicaciones dónde los
esfuerzos sean demasiados grandes. Por esto es que se usa fundamentalmente en joyería, cañería
y chapas de puertas, ya que presenta una alta resistencia a la corrosión, por lo que puede estar a
exposición del ambiente.
En síntesis, cada material tiene diferentes propiedades y éstas son determinantes para sus usos.
Tener en consideración esto, puede producir mejoras en todos los ámbitos de la vida, y hace usar
las cosas de forma eficiente, es decir, cada material para lo que es mejor intrínsecamente.
15
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