Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Industrial Asignatura: Procesos y Materiales Práctica de Laboratorio de Tensión (Tracción) - Dureza y Microestructura del Acero. Metodología Activa – Participativa. Objetivos: Aplicar los conocimientos teóricos asociados a las propiedades mecánicas del acero: tensión o tracción y dureza y a su microestructura, usando la metodología activa participativa (aprender haciendo). Desarrollar competencias interpretativas y procedimentales relacionadas con algunas propiedades mecánicas y la microestructura de un acero, mediante pruebas de laboratorio normalizadas. Adquirir nuevos conocimientos de los materiales de ingeniería, integrando la teoría y la práctica. Resultados esperados de la práctica: 1. Los estudiantes quedan en capacidad de seleccionar y aplicar pruebas de laboratorio normalizadas, para evaluar algunas propiedades mecánicas de materiales de ingeniería, como la resistencia a la tensión, módulo de elasticidad, esfuerzo de fluencia y otras. 2. Además de adquirir nuevos conocimientos de una forma práctica, los estudiantes logran aumentar su grado de motivación para aprender y el interés por los materiales y la experimentación en el laboratorio (investigación). Lugar de la práctica: Laboratorios de Materiales y Mecánica de Sólidos. Marco teórico Ensayo de tracción La prueba de tracción es uno de los ensayos más útiles que se emplean para determinar las propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería. Los detalles de procedimiento de la prueba varían de acuerdo con los diferentes tipos de material; para el caso de los materiales metálicos se basa en someter probetas, estandarizadas bajo la norma ASTM, a un esfuerzo axial de tracción creciente, como se observa en la figura 1, hasta cuando se produce la rotura de la probeta. Este ensayo requiere la utilización de una máquina de ensayos denominada Máquina Universal de Ensayos, la cual mide la tensión aplicada a la probeta y la elongación de ésta, mediante un extensómetro. De este ensayo se obtiene la gráfica de esfuerzo-deformación, la cual permite determinar las siguientes propiedades mecánicas: Faber Correa B. Figura 1. Esquema ensayo de tracción Fuente: Callister, William D. Jr. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Reverté. • • • • El módulo de elasticidad (E) El esfuerzo de fluencia a la cual comienza a comportarse de forma plástica (σy) El esfuerzo máximo o esfuerzo último que resiste antes de romperse (σU) La deformación máxima (ΔL/L) o expresada en porcentaje de elongación Gráfica Esfuerzo vs Deformación Como se dijo anteriormente esta curva permite observar el comportamiento mecánico y determinar las propiedades mecánicas de los materiales. En la figura 2, se muestra en forma cualitativa el comportamiento de las curvas de esfuerzo - deformación de los distintos materiales usados en la industria. Figura 2. Curvas de esfuerzo-deformación para distintos materiales Fuente: Askeland, Donald. Ciencia e ingeniería de los materiales. Ed. Thomson, Cuarta ed. 2004 En la figura 3, se puede apreciar una curva esfuerzo – deformación representativa de un material metálico, donde: Faber Correa B. E= Limite elástico F= Punto de fluencia o cedencia G= carga máxima H= punto de ruptura Figura 3. Curva esfuerzo vs deformación de un material metálico. Fuente: Manual de laboratorio Instituto Politécnico Nacional. Ing. Fernando Vergara. México 2008. Sección “OE” Es la línea recta que indica el alargamiento proporcional a la carga aplicada. Entre estos limites la pieza recuperara su tamaño y forma original cuando se retire la carga, por esto la zona se llama elástica. Sección “EF” Muestra un alargamiento grande en comparación a la carga aplicada, la zona se le denomina dúctil. En el punto F llamado fluencia o cedencia nos indica que cargas adicionales causaran deformaciones mayores hasta que llegue al punto máximo de carga que es el G. Sección “FG” Representa la zona plástica. Al rebasar el punto G que representa la carga máxima o esfuerzo máximo se presenta la estricción (cuello de botella). La probeta sufre mayor deformación aunque la carga decrece automáticamente debido a que no se encuentra resistencia, la deformación es heterogénea hasta llegar a la ruptura H. Deformación elástica y plástica Cuando se aplica una fuerza a una probeta los enlaces entre los átomos se estiran y el material se alarga. Cuando se retira la fuerza, los enlaces regresan a su longitud y la probeta recobra su tamaño normal, esta deformación de denomina deformación elástica. Faber Correa B. Si incrementamos la fuerza, el material se comporta de manera plástica, es decir, se producen dislocaciones y ocurre un deslizamiento por lo tanto al retirar la fuerza, el material ya no recobra sus dimensiones, y su forma original; esto se denomina deformación plástica permanente. Módulo de elasticidad o módulo de Young El módulo de elasticidad o módulo de Young (E), es la pendiente de la curva esfuerzodeformación unitaria en la región elástica (ver figura 4a). Esta relación es la ley de Hooke: E (psi ó MPa) El módulo tiene una relación estrecha con la energía de enlace atómico, esto quiere decir que entre más pronunciada sea la pendiente en la curva esfuerzo-deformación, indica que se requiere grandes fuerzas para separar los átomos y hacer que el material se estire en forma elástica; por consiguiente el módulo de elasticidad es la medida de rigidez de un componente, en la figura 4b, se compara el comportamiento elástico del acero con el aluminio, si se aplica un esfuerzo de 30.000 psi a cada material, el acero se deforma elásticamente 0.001 pulg/pulg, mientras que el aluminio se deforma 0.003 pulg/pulg. a) b) Figura 4. a) Determinación del módulo de elasticidad. b) Comportamiento elástico del acero y el aluminio a un mismo esfuerzo. Fuente: Askeland, Donald. Ciencia e ingeniería de los materiales. Ed. Thomson, Cuarta ed. 2004 Esfuerzo de fluencia y límite elástico. La mayoría de las estructuras se diseñan de tal manera que solamente ocurra deformación elástica cuando sean sometidas a tensiones. Por consiguiente, es deseable conocer el nivel de tensiones para el cual empieza la deformación plástica, o sea, cuando ocurre el fenómeno de la fluencia. Para los metales que experimentan la transición elastoplástica de forma gradual, el punto de fluencia puede determinarse como la desviación inicial de la linealidad de la curva esfuerzo – deformación, este punto se denomina límite de proporcionalidad. Faber Correa B. En estos casos, la posición de este punto no puede ser determinada con precisión. Por este motivo se ha establecido un método llamado offset que consiste en trazar una línea recta paralela a la línea elástica de la curva esfuerzo–deformación, iniciándose en 0.2 % ó 0.002 del eje que nos indica la deformación, la tensión correspondiente a la intersección de esta línea con la curva esfuerzo – deformación cuando ésta se curva se denomina limite elástico como se observa en la figura 5a. En algunos aceros y otros materiales la transición elastoplástica esta muy bien definida y ocurre de forma abrupta y se denomina fenómeno de discontinuidad del punto de fluencia; en este caso se presentan dos límites de fluencia uno superior y otro inferior como se puede observar en la figura 5b. En los metales que ocurre este fenómeno, el limite elástico se toma como el promedio de la tensión asociada con el limite de fluencia inferior, ya que está bien definido y es poco sensible al procedimiento seguido del ensayo; por consiguiente, no es necesario utilizar el método offset. Figura 5. a) Esfuerzo de fluencia por el método de offset. b) fenómeno de discontinuidad del punto de fluencia Fuente: Callister, William D. Jr. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Reverté. Esfuerzo máximo o resistencia a la tracción Después de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la deformación en los metales aumenta hasta un punto máximo de la curva denominado esfuerzo máximo (σmax), o esfuerzo último (σu) y después disminuye hasta que finalmente se produce la fractura; sin embargo, cuando se alcanza el esfuerzo máximo, se empieza a formar una disminución localizada en el área de la sección transversal en algún punto de la probeta, lo cual se denomina estricción o cuello. La Probeta Para la fabricación de la probeta se realiza un procedimiento de torneado a partir de una pieza cilíndrica de 12 mm de diámetro de acero siguiendo la norma ASTM-E8M, en la figura 6 se observa el plano de la probeta terminada. La probeta también puede ser plana y rectangular según la norma. Faber Correa B. Figura 6. Plano de la probeta según la norma ASTM-E8M con dimensiones en mm La fractura. El tipo de fractura en un ensayo de tracción presenta dos comportamientos, dúctil y frágil. La fractura dúctil es aquella que presenta formación de cuello en un punto de la probeta cuando ha superado el esfuerzo máximo y se clasifica según su forma y textura las cuales pueden ser de taza y cono, parcial de taza y cono o de estrella. La fractura frágil es aquella que no presenta ninguna de las características anteriores y por lo general siempre su falla es plana, como se puede observar en la figura 7. Figura 7. Tipos de fractura de la probeta en un ensayo de tracción Fuente: Callister, William D. Jr. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Reverté. Equipos y materiales requeridos: Máquina de tensión UTS. Durómetro. Microscopio metalográfico. Probetas de tensión de acero corrugado 60, fundición gris y AISI 1020 o ASTM A-36. Actividades a realizar: Realizar la prueba de tensión o tracción de las probetas previamente elaboradas, siguiendo las indicaciones del instructor del laboratorio, para determinar las propiedades mecánicas de cada material. Medir la dureza de cada probeta usada en la prueba de tensión y registrarla en el formato dado. Analizar la microestructura del material de cada una de las mismas probetas, para identificar las fases presentes en cada material. Haga un registro gráfico (fotos). Faber Correa B. Informe de la práctica de laboratorio. A cada equipo de trabajo se le entrega los datos experimentales obtenidos en cada una de las pruebas realizadas, Deben realizar lo siguiente: Determinar las propiedades mecánicas: Resistencia a la tensión o tracción, esfuerzo de fluencia y módulo de elasticidad Elaborar un escrito tipo artículo entre todos los integrantes del equipo, de redacción propia (no copiar textualmente de fuentes bibliográficas), de todo lo realizado en la práctica de laboratorio (descripción experimental), donde se incluya los resultados obtenidos y entre las conclusiones, las respuestas a las siguientes preguntas: 1. ¿Cuál de los tres materiales analizados seleccionaría para una aplicación que requiere alta resistencia a la tensión? Justifique la respuesta. 2. ¿Cuál de los tres materiales tiene la mayor rigidez? Justifique la respuesta. Indique también qué tipo de fractura presentó cada material. 3. ¿Cuál de los tres materiales analizados presenta la mayor y la menor dureza? Indique valores numéricos en la justificación de la respuesta. 4. ¿Cuál de los tres materiales es el más adecuado para fabricar una pieza, que se debe doblar fácilmente en su proceso de manufactura? Justifique la respuesta. 5. ¿Qué relación encuentra entre la microestructura y las propiedades mecánicas de dureza y resistencia a la tensión de los materiales evaluados? Nota: El informe debe incluir principalmente imágenes propias, aunque se puede incluir algunas tomadas de la literatura si es necesario, y la bibliografía consultada. Referencias Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición. Callister, William D. Jr. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Reverté. Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición. Alba de Sánchez N. y Correa F. Práctica de Laboratorio Prueba de Tracción. Universidad Autónoma de Occidente. Prof. Faber Correa B. Faber Correa B.