ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES CURSO: ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES TAREA: LABORATORIO N° 1 APELLIDOS Y NOMBRES ➢ OLAZABAL BARRANTES, JORGE ALBERTO Lima, 08 de setiembre del 2023 P á g i n a 1 | 16 CÓDIGO U21100062 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES 1. LOGRO GENERAL DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE Al final de la unidad de aprendizaje, el estudiante aplica los principios de resistencia de materiales en la solución de problemas de estructuras sometidas a tracción y compresión. 2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE LA PRÁCTICA Este ensayo tiene el objetivo inmediato de ilustrar y evaluar, mediante la experiencia, la resistencia mecánica del material, aquellas que se derivan a partir del ensayo de tracción con el fin de conocer las propiedades mecánicas, como la ductilidad, rigidez, resistencia, elasticidad, plasticidad entre otros, cuando el material es sometido a una fuerza de tensión ejercida gradualmente por una maquina universal (SM1000). Además, conocer los factores que influyen en los resultados del ensayo, los tipos de fallas, familiarizarse con los lineamientos de la norma ASTM E-8. P á g i n a 2 | 16 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES 3. MATERIALES Y EQUIPOS ✓ Maquina Universal de Tracción SM 1000 – 100kN. ✓ Probetas de Acero Normalizadas. ✓ Pie de rey. P á g i n a 3 | 16 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES 4. PAUTAS DE SEGURIDAD 1. Antes de iniciar el ensayo asegure que la guarda protectora del equipo esté puesta. 2. Asegurarse que la carga aplicada sea totalmente axial. 3. Indicar los posibles errores que podrían afectar las medidas experimentales. 4. Usar como referencia los lineamientos de la norma ASTM E8M-09 (Ensayo de tracción de materiales metálicos). 5. FUNDAMENTO INTRODUCCIÓN El ensayo de tracción en un material consiste en someter a una probeta metálica un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de esta. Este ensayo mide la resistencia mecánica de un material a una fuerza aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en un ensayo de P á g i n a 4 | 16 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES tracción suelen ser muy pequeñas. Este ensayo se efectúa sobre probetas metálicas y cilíndricas de cobre, aluminio y bronce. La resistencia de un material depende de su capacidad de soportar cargas sin presentar deformación o falla. Un ensayo de tracción suele proporcionar datos suficientes para determinar las propiedades mecánicas en el material metálico. La representación gráfica de los resultados de experimentación de ensayos de tensión se llama diagrama esfuerzo-deformación. El ensayo consiste en obtener los límites de rendimiento bajo tensión. Un material sometido a una tensión produce una deformación de este. Si al cesar la fuerza el material vuelve a sus dimensiones primitivas, diremos que ha experimentado una deformación elástica. Si la deformación es tal que no recupera por completo sus medidas originales es una deformación plástica. Figura 1. Curva Esfuerzo - Deformación En la Figura 1. Se muestra un diagrama producido como consecuencia de un ensayo de tracción. Los materiales rígidos, tales como el acero templado, presentan a menudo alta resistencia mecánica, mientras que el aluminio aleado o el acero dulce presentan mayor ductilidad, como se muestra en el diagrama de esfuerzo-deformación. En un ensayo de tracción se recomienda calcular cambio en su longitud (∆𝐿) de la probeta metálica, variación de las dimensiones del material, mediante la ecuación: ∆𝐿 = 𝐿𝑓 − 𝐿0 P á g i n a 5 | 16 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES Por tanto, podemos definir la deformación unitaria de la probeta, como la variación en las dimensiones del material después de estar sometida a un esfuerzo de tracción, mediante la ecuación: = L Lf − Lo = Lo Lo (1) Esta deformación es consecuencia de la carga aplicada a la probeta, es decir, al esfuerzo generado por unidad de área, tal como se muestra en la siguiente ecuación: = F A = F d 2 4 (2) De las ecuaciones (1) y (2) podemos calcular el Módulo de Elasticidad, de la siguiente forma: E= F = A L Lo (3) El Módulo de Elasticidad permite evaluar el carácter de mayor o menor rigidez del material, es importante mencionar que este parámetro es inherente al material. Figura 2. Curvas del ensayo de tracción para a) acero templado, b) acero de bonificación, c) acero dulce recocido, d) aluminio aleado P á g i n a 6 | 16 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES Figura 3. Materiales dúctiles y frágiles Figura 4. Esquema del ensayo de tracción del acero 6. PROCEDIMIENTO (DESARROLLO DE LA PRÁCTICA) 1.- Se toma las medidas geométricas de la probeta, para esto se usa el vernier, la regla metálica y se anota en la tabla de datos geométricos de la probeta (Tabla 1). 2.- Se realizan las marcas a la distancia (Lo), con en pie de rey. P á g i n a 7 | 16 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES 3.- Registramos la toma de datos, a través del dispositivo de adquisición de datos. 3.1 Incremente la fuerza lentamente en intervalos de 0.5kN. (Nunca baje la fuerza, de lo contrario los resultados serán erróneos). 3.2 En cada paso realizado registrar la carga, y medir la longitud de desplazamiento con el extensómetro utilizado. 3.3 Si utiliza el software VDAS seleccionar para grabar los resultados para cada paso realizado. 3.4 Continúe incrementando la fuerza hasta notar que la muestra ha iniciado la “fluencia” (> limite elástico). 3.5 Retire el extensómetro y coloque la guarda de seguridad. 3.6 Continúe aplicando la carga hasta que la probeta falle. . P á g i n a 8 | 16 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES 7. ENTREGABLES Tabla 1. Datos Geométricos de la Probeta (mm) Material L0 Lf d0 df % ΔL/L0 TH4010 173.00 182.00 9.80 7.10 5.20 TH4015 173.00 189.70 9.90 8.90 9.60 TH4035 173.40 189.10 10.80 8.50 9.10 Referencia: L0 = Longitud inicial de la probeta. Lf = Longitud final de la probeta. d0 = Diámetro inicial de la probeta. df = Diámetro final de la probeta. A0 = Sección transversal inicial de la probeta. P á g i n a 9 | 16 % ΔA/A0 19.18 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES Tabla 2. Datos experimentales de alargamiento (mm) y la carga aplicada (KN) ALARGAMIENTO (mm) 0 CARGA (KN) 0 12.9 0.51 17.4 0.64 23.3 0.77 26 1.2 23.8 1.74 23.6 2.29 24.9 2.75 28.2 3.49 29.9 4.05 30.7 4.51 31.3 4.97 33 5.7 33.9 6.32 33.9 6.81 35 7.56 35.8 8.27 35.5 8.75 36.4 9.42 36.9 10.24 36.4 10.8 37.2 11.53 37.4 12.33 36.9 12.85 37.9 13.67 37.5 14.4 37 14.94 38 15.91 37.1 16.49 37.7 17.31 36.9 18.1 36.3 18.93 P á g i n a 10 | 16 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES Gráfico 1. Relación entre la Carga (KN) y Alargamiento (mm) CARGA (KN) - ALARGAMIENTO (mm) 40 36 32 CARGA (KN) 28 24 20 16 12 8 4 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ALARGAMIENTO (mm) Se observa el comportamiento del material al ser aplicado una carga variable con el tiempo. CARGA (KN) - ALARGAMIENTO (mm) 32 28 CARGA (KN) 24 y = 22.741x + 1.7298 R² = 0.9287 20 16 Elástico 12 Lineal (Elástico) 8 4 0 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 ALARGAMIENTO (mm) Se observa que la relación de la carga y el alargamiento es una gráfica lineal, por ende, se denota como parte elástica del material. P á g i n a 11 | 16 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES CARGA (KN) - ALARGAMIENTO (mm) 44 40 36 CARGA (KN) 32 y = 0.7256x + 26.878 R² = 0.7221 28 24 20 Plástico 16 Lineal (Plástico) 12 8 4 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ALARGAMIENTO (mm) Se observa que la tendencia es para una constante por ello se le denomina zona plástica. P á g i n a 12 | 16 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES Tabla 3. Cálculo de la deformación unitaria (mm/mm) y el esfuerzo (KPa) Extensión (mm) ALARGAMIENTO Deformación Unitaria 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 173 0 0.51 0.64 0.77 1.2 1.74 2.29 2.75 3.49 4.05 4.51 4.97 5.7 6.32 6.81 7.56 8.27 8.75 9.42 10.24 10.8 11.53 12.33 12.85 13.67 14.4 14.94 15.91 16.49 17.31 18.1 18.93 0.0000 0.0029 0.0037 0.0045 0.0069 0.0101 0.0132 0.0159 0.0202 0.0234 0.0261 0.0287 0.0329 0.0365 0.0394 0.0437 0.0478 0.0506 0.0545 0.0592 0.0624 0.0666 0.0713 0.0743 0.0790 0.0832 0.0864 0.0920 0.0953 0.1001 0.1046 0.1094 P á g i n a 13 | 16 Carga (KN) Esfuerzo 0 12.90 17.40 23.30 26.00 23.80 23.60 24.90 28.20 29.90 30.70 31.30 33.00 33.90 33.90 35.00 35.80 35.50 36.40 36.90 36.40 37.20 37.40 36.90 37.90 37.50 37.00 38.00 37.10 37.70 36.90 36.30 0 0.1675828 0.22604191 0.30268831 0.33776378 0.30918377 0.30658559 0.32347377 0.36634379 0.38842835 0.39882108 0.40661563 0.42870018 0.44039201 0.44039201 0.45468201 0.46507474 0.46117747 0.47286929 0.47936475 0.47286929 0.48326202 0.48586021 0.47936475 0.49235567 0.4871593 0.48066384 0.49365476 0.48196293 0.48975748 0.47936475 0.4715702 AREA DE SECCIÓN (mm2) 76.98 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES ESFUERZO(kPa) - DEFORMACIÓN UNITARIA (mm/mm) 0.55 0.50 0.45 0.338 ESFUERZO (Kpa) 0.40 0.494 0.472 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.000 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.090 0.100 0.110 DEFORMACIÓN UNITARIA (mm/mm) Se observa la relación entre el esfuerzo y la deformación unitaria es igual, pero para comparar mejor este fenómeno se tiene que generar una ecuación en el tramo elástico. P á g i n a 14 | 16 0.120 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES RESULTADOS A OBTENER Para las probetas ensayadas presentar: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Grafica convencional de esfuerzo – deformación (presentar las tres gráficas superpuestas). Esfuerzo de fluencia Resistencia a la Tracción. Esfuerzo de rotura Ductilidad Valor del módulo de elasticidad Cálculo de la tenacidad Cálculo de la resiliencia Análisis detallado del tipo de fractura Análisis de resultados y presentación de conclusiones al comparar las curvas de esfuerzo - deformación unitaria de los materiales empleados y los valores de las propiedades mecánicas obtenidos 11. Analizar la influencia del % de C y tratamiento térmico aplicado en los resultados obtenidos. P á g i n a 15 | 16 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES RESULTADOS: Para la probeta de acero sometida al ensayo de tracción presentar: • Esfuerzo de fluencia: De acuerdo con el ensayo de tracción realizado, el esfuerzo de fluencia determinada es: 338 MPa. • Resistencia a la tracción: El valor de la resistencia a la tracción luego de realizar los cálculos necesarios es: 494 MPa. • Esfuerzo de rotura: El valor del esfuerzo de rotura obtenido luego de realizado los cálculos es: 472 MPa. • Ductilidad: De acuerdo con el ensayo de tracción, el valor de la ductilidad es: 60.86% • Módulo de elasticidad: De acuerdo con el ensayo de tracción el módulo de elasticidad determinado es: 3.48 x 10^4 MPa. • Tenacidad: El valor de la tenacidad obtenido luego de realizado los cálculos es: 63.071 MPa. • Resiliencia: De acuerdo con el ensayo de tracción realizado, el valor de la resiliencia es: 0.316 MPa. Análisis del tipo de fractura de las probetas de acero: Una fractura en un metal se puede definir como la separación bajo tensión en dos piezas, de manera general la fractura de un sólido al ser sometido a un ensayo de tracción puede clasificarse en fractura dúctil y frágil. La fractura dúctil ocurre después de una intensa deformación plástica; la fractura frágil se produce a lo largo de planos cristalográficos llamados planos de fractura. CONCLUSIONES: • En conclusión, en el ensayo de tracción de una probeta sin tratamiento térmico nos permitió obtener las características mecánicas principales de dichos materiales a partir del análisis de la curva de esfuerzo deformación. • Así mismo, durante la práctica de ensayo de tracción nos permitió diferenciar las fases de deformación de los materiales como son la zona plástica, la elástica, entre otros. • Se concluye que el diagrama esfuerzo-deformación, que la probeta sin tratamiento térmico es más frágil que la probeta con tratamiento térmico. • Finalmente, el diagrama de esfuerzo-deformación es importante en ingeniería por que proporciona un medio para obtener datos acerca de la resistencia a la tensión un material independientemente de su tamaño físico o forma. Te permite reconocer sus diferentes características y las propiedades de los materiales P á g i n a 16 | 16
