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
1. Observar el desarrollo del ensayo de tracción, ejecutada de acuerdo a la norma
ASTM E- 8 (equivalente a la norma ISO 6892).
2. Al finalizar el laboratorio, a partir de las observaciones efectuadas y con
base en la hoja de resultados del ensayo el alumno será capaz de 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; además, a partir del examen visual y de las medidas tomadas a las dos
partes de la probeta después de la rotura, podrá determinar:
h- El porcentaje de elongación
i- El porcentaje de reducción de área
Marco Teórico
La norma ASTM E – 8 explica la forma de aplicar un ensayo de tensión uniaxial en
materiales metálicos; sus resultados pueden proporcionar información sobre la
elasticidad, resistencia y ductilidad de los materiales, que pueden ser muy
útiles en: las comparaciones entre diferentes materiales, el desarrollo de nuevas
aleaciones, el control de calidad y diseños de piezas que necesitan cumplir ciertos
requerimientos en determinadas circunstancias de uso. Los resultados de las pruebas
de tensión de las muestras obtenidas, de las partes seleccionadas de una pieza o
Resistencia de Materiales. Guía 1
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material no representan necesariamente las propiedades del producto final o de su
comportamiento en servicio en diferentes ambientes.
Esta norma cubre los ensayos de tensión de los materiales metálicos a temperatura
ambiente, con la ventaja de que la colocación de la probeta es fácil para los
operadores. Las fijaciones permiten cambiar las probetas muy rápidamente. Se debe
elaborar una muestra del material del que se necesitan conocer las propiedades, a
la que llamaremos probeta 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 una celda de carga (que cuantifica la fuerza aplicada a la
probeta), y un sensor de desplazamiento, así como un dispositivo (captador,
extensómetro o deformímetro) que se adhiere a la probeta y que mide la deformación
unitaria de ésta; procesando estas señales se pueden elaborar gráficas del ensayo.
En la figura 1 se muestra un esquema de la máquina de ensayo de tensión (o
tracción) y una fotografía de la misma.
La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una
rapidez (en milímetros por minuto: mm/min) previamente seleccionada.
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.
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 elaborada a partir del material de
interés, también puede ser una muestra moldeada. En el caso de productos de sección
Resistencia de Materiales. Guía 1
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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 (parte calibrada) puede ser circular, cuadrada, rectangular, anular; y
en ciertos casos particulares, de otras formas.
Probetas mecanizadas: Las probetas mecanizadas deberán tener un radio de acuerdo
suave entre la parte calibrada y los extremos, ya que ambas partes son de diferente
medida; esto se hace con el propósito de disminuir la concentración de esfuerzos.
Los extremos 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
utilizadas en varios países, aunque la tendencia es a unificar las diferentes
normas. La figura 2 indica las dimensiones a que se refiere la tabla 1.
Tabla 1: Dimensiones normalizadas de probetas cilíndricas normal y reducida, según
norma ASTM E-8M.
Probetas
12.5
9
6
4
2.5
L0
62.5 ±
45.0 ±
30.0 ±
20.0 ±
12.5 ±
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
DIMENSIONES (mm)
D
Lc
12.5± 0.1
75
9.0 ± 0.1
54
6.0 ± 0.1
36
4.0 ± 0.1
24
2.5 ± 0.1
20
r
10
8
6
4
2
Fig. 2 Probeta normalizada
3. PARÁMETROS A OBTENER A PARTIR DEL ENSAYO:
Es frecuente que el software proporcione en forma impresa la gráfica y 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.
Resistencia de Materiales. Guía 1
Fig. 3 Gráfica fuerza contra
deformación, Pt fuerza máxima, Py fuerza
de fluencia
4
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
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,
cuya pendiente o inclinación representa el módulo de elasticidad del material (E),
es decir la cantidad de fuerza por unidad de área (esfuerzo) requerida para
producir una cantidad unitaria de deformación. Todas las piezas en servicio están
diseñadas para trabajar en esta zona. Pieza que se sale 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. Cuando no se utiliza deformímetro,
esta primera parte no queda recta debido al deslizamiento de la probeta con
respecto a las mordazas. Para medir esta pendiente es necesario generalmente tener
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, está muy cerca de la resistencia de fluencia (cedencia). La importancia de este
parámetro es que señala el límite a partir del cual las deformaciones no solamente
serán elásticas (recuperables al descargar la probeta), sino que también plásticas
(permanentes) la pieza queda deformada al quitarle la carga y ya no podrá
desempeñar bien su función. Para materiales dúctiles ese valor sirve de referencia
para el factor de seguridad.
Uno de los parámetros más importantes en el ensayo de tensión es la resistencia
última o resistencia de tensión. Este punto es el mayor esfuerzo que soporta el
material (σt 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, el resto queda de reserva para
cuestiones imprevistas, incertidumbres en las propiedades, etc.
El ensayo de dureza también tiene una correlación con este valor. Por ejemplo, si
la dureza Brinell de un acero es de 400, la resistencia última será de 200,000 psi
(400 HB x500, o 28.5 MPa), ya que la resistencia última es igual a la dureza
Brinell multiplicada por 500.
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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 la pieza de fallar catastróficamente.
El área (triángulo formado por la recta que parte desde cero, la línea vertical que
parte del límite elástico hacia la abscisa y 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 los resortes, ya que en cierto
momento absorben la energía y después la regresan al disminuir la deformación.
En la figura 5 se observa lo antes mencionado.
Fig. 5. Se muestra la resistencia
de fluencia y la de rotura (σy y
σr) del material, el área bajo la
recta inclinada representa la
resiliencia del material
Fig. 6. El área bajo la curva representa la
tenacidad 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 impactos, ya que absorben buena parte de la energía del
choque y evitan que la energía se transmita, aminorando los daños a las personas 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 varillas de acero, que
en caso de terremoto absorberán energía, disminuyendo la posibilidad de una
catástrofe, pues el concreto no lo hace.
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
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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,
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. 7.
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 P con una velocidad v = 10 mm
/ min; al llegar al momento en que la carga deja 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 al trabajo efectuado durante la deformación de la misma.
La rapidez de deformación puede oscilar entre 4 y 10 mm/min.
Materiales y equipo
1.
2.
3.
4.
Probetas
Calibrador vernier
Máquina de ensayo
Punzón
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NORMAS GENERALES Y DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO
En todo laboratorio será necesario acatar las siguientes normas de seguridad:
1.- Acatar el procedimiento establecido; no hacer con los materiales y equipos
facilitados procedimientos diferentes a los establecidos. La contravención a esta
norma puede causar la expulsión del alumno si hace procedimientos que pongan en
peligro la integridad de los asistentes, incluido él mismo.
2.- No se permite el uso de Ipods, celulares u otros medios de distracción en el
laboratorio. Si alguien desea responder una llamada urgente, pedir permiso para
responderla fuera del local.
3.- Cada estudiante debe llevar su guía de laboratorio individual, sin la cual no
se admitirá al laboratorio, lo que conlleva perder la nota de esa sesión.
4.- No se permiten bromas o pláticas que distraigan la atención de los asistentes.
5.- No se permite comer o beber refrescos de ningún tipo dentro del laboratorio.
6.- Llegar al laboratorio puntualmente, diez minutos después de iniciado no se
permite el ingreso y se pierde la nota de la sesión.
7.- Es obligatorio el uso de gabachas y de zapatos adecuados (que no tengan suela
lisa o muy delgada) por la posible presencia en el suelo de aceite u objetos
puntiagudos.
8.- Asistir al grupo de laboratorio en que está inscrito.
Procedimiento
1.- Identificación de los materiales proporcionados. Llene la siguiente tabla.
Tabla 1
Material
Descripción
Dimensiones
2.- Mida en las probetas ensayadas la distancia entre los puntos, y el área mínima
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
% de elongación
% de reducción de área
3.- A partir del gráfico esfuerzo versus deformación calcule las propiedades
solicitadas
llene la siguiente tabla, compare con las propiedades investigadas y
calcule el % de diferencia.
Tabla 3
Material:
_________
Modulo elástico
(GPa)
Resistencia de
fluencia (MPa)
Experimental
Investigada
Diferencia (%)
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Resistencia última
(MPa)
Resistencia de
rotura (MPa)
Resiliencia (MPa)
Tenacidad (MPa)
4.- Anote toda otra información y observación relevante para la interpretación de
resultados
Investigación en sitios confiables
a) Las especificaciones de la norma ASTM E - 8
b) Las propiedades de los materiales ensayados
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
Referencias
1. Ferdinand P.Beer y otros, Mecánica de Materiales,
México, 2010
5a. Ed. McGraw - Hill,
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
9
Elaboración de informe de laboratorio
1.- Reporte las dimensiones iniciales y finales de las probetas necesarias para
efectuar los cálculos, el equipo que haga el informe se llevará sus probetas para
medirlas, observarlas y tomarles las fotos necesarias para sustentar sus
conclusiones, regresándolas al entregar su informe de laboratorio.
2.- Elabore las tablas y graficas que considere relevantes para respaldar sus
cálculos y conclusiones.
3.- Elabore las conclusiones del ensayo, enfatizando en los aspectos relevantes de
la experiencia, tome en cuenta los objetivos del laboratorio.
Nota: Toda información sobre las mediciones del ensayo que se le proporcione al
alumno, deberá dar una copia a su instructor
CRITERIOS DE EVALUACIÓN:
Agregar las investigaciones efectuadas sobre las propiedades de los materiales
ensayados y comparándolos con los resultados obtenidos elabore las conclusiones, y
recomendaciones. Si hay diferencias marcadas, indique las causas probables.
Hoja de cotejo
Aspecto a evaluar:
Puntaje
obtenido/Puntaje
máximo
Portada, letra Times New Roman 12. Contiene
Logotipo de la institución, Nombre del tema,
Nombres de los autores, fecha de entrega. Todas
las partes deberán ser legibles. Nombre del
archivo: Lab1.Equipox
Requisito
Objetivos y Procedimiento
máximo)
Requisito
abreviado (1 página
Mediciones efectuadas y Tablas de datos
Requisito
Cálculos efectuados correctamente
Investigación efectuada en libros,
sitios web y otros
(al menos en
confiables)
/20
revistas,
3 sitios
/10
Gráficas solicitadas
/20
Discusión y conclusiones: Comparación de los
resultados experimentales con lo reportado en
libros o sitios confiables (éstos se tomarán como
los valores teóricos), indicar si se lograron los
objetivos o 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. Anexe fotos, videos y esquemas
necesarios.
/45
Demuestra actitud de colaboración y respeto con
el grupo (individual)
Requisito
La ortografía debe ser impecable. La redacción
debe ser clara y concisa.
/5
Autoevaluación
y comentarios
Resistencia de Materiales. Guía 1
No lleva gabacha (individual)
-
10
Cálculos erróneos (Al equipo)
-
10
No lleva guía de laboratorio (individual)
-
10
Entrega tardía (por cada día de atraso)
-
10
No
colabora
(individual)
-
10
o
se
comporta
TOTAL
indebidamente
10
T
100
El informe se entregará una semana después del laboratorio en forma impresa y en
versión digital, 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
CONOCIMIENTO
20%
Conocimiento
deficiente 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.
15%
15%
15%
10%
ACTITUD
10%
TOTAL
100%
Demuestra pocos
valores profesionales
5-7
8-10
Conocimiento y
explicación incompleta
de los fundamentos
teóricos
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
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
11