Ensayo de Tracción: Acero AISI 1020 y Aluminio Recocido

TALLER DE PROPIEDADES MECANICAS
ENSAYO DE TRACCIÓN
Miguel Ángel Rodríguez Gómez 58679
Kevin Andrés López Bertel 130364
Sebastian Mendez Rodríguez 122503
Edward Enrique Sabogal Ríos 109956
Brayan Julián Abril Suarez 21101
David Moncada Martínez 94231
PROF. GABRIEL TORRENTE
UNIVERSIDAD ECCI
MANUFACTURA DE MATERIALRES METALICOS
ABRIL 2025
1. RESUMEN
El ensayo de tracción es una prueba experimental utilizada para determinar las propiedades
mecánicas de diferentes materiales, en este caso, el acero AISI 1020 recocido y el aluminio
recocido. Este informe presenta los resultados obtenidos en términos de resistencia a la fluencia,
resistencia máxima a la tracción, esfuerzo de fractura, porcentaje de elongación y reducción de área.
Se analizan también las curvas de esfuerzo vs. deformación, tanto nominales como reales, y se
aplican las leyes de Hooke y Hollomon para describir el comportamiento elástico y plástico de los
materiales. Los resultados permiten comprender las diferencias en las propiedades mecánicas entre
los materiales ensayados y las posibles aplicaciones industriales.
1. ABSTRACT
The tensile test is an experimental test used to determine the mechanical properties of different
materials, in this case, annealed AISI 1020 steel and annealed aluminum. This report presents the
results obtained in terms of creep strength, maximum tensile strength, fracture stress, elongation
percentage, and area reduction. Stress vs. strain curves, both nominal and real, are also analyzed, and
Hooke's and Hollomon's laws are applied to describe the elastic and plastic behavior of materials. The
results allow us to understand the differences in mechanical properties between the materials tested
and
the
possible
industrial
applications.
2. INTRODUCCION
EI estudio de solidos sometidos a grandes deformaciones posee sin duda un gran interés. La
fabricación de una importante cantidad de piezas se realiza en la actualidad por algún método
que implique someter a un sólido a grandes deformaciones, ya sea por conformado, embutición,
impacto, etc. Una de las maneras de analizar el comportamiento de solidos sometidos a grandes
deformaciones es a través del ensayo de tracción.
Este ensayo es uno de los experimentos más usados en la evaluación de las propiedades de los
materiales metálicos, tanto elásticas como de endurecimiento por deformación plástica, y su
análisis completo es únicamente valida en el contexto de las grandes deformaciones debido a la
fuerte estricción que se produce para altos niveles de deformación axial. Gracias a este ensayo
es posible caracterizar el comportamiento mecánico del material y así poder plantear un modelo
matemático que describa adecuadamente.
El ensayo de tracción es una técnica fundamental en el análisis de las propiedades mecánicas de
los materiales, permitiendo evaluar parámetros clave como la resistencia a la tracción, el límite
elástico, y la ductilidad. Estos ensayos son esenciales en la ingeniería para la selección de
materiales en aplicaciones estructurales y de manufactura. En este informe se analiza el
comportamiento de un acero AISI 1020 recocido y un aluminio recocido, bajo condiciones de
tracción. Además, se discuten los resultados obtenidos y se comparan con las expectativas
teóricas, haciendo énfasis en las diferencias entre materiales dúctiles y frágiles.
3. OBJETIVOS
GENERAL
3.1 Obtener destrezas necesarias para determinar las propiedades mecánicas de los metales recocidos
y endurecidos por trabajo en frío empleando el ensayo de tracción.
ESPECÍFICOS
3.1.1 Determinar las propiedades mecánicas del acero AISI 1020 recocido y el aluminio recocido
mediante el ensayo de tracción.
3.1.2 Analizar las curvas de esfuerzo vs. deformación nominal y real para ambos
materiales.
3.1.3 Aplicar la ley de Hooke para la región elástica y la ecuación de Hollomon para el
comportamiento plástico de los materiales.
3.1.4
Comparar las propiedades mecánicas entre el acero recocido y el aluminio recocido.
4. MARCO TEORICO
4.1 CARGA AXIAL
Una fuerza axial es una fuerza que actúa directamente sobre el centro axial de un objeto en la
dirección del eje longitudinal. Estas fuerzas pueden ser de compresión o de tensión, dependiendo
de la dirección de la fuerza. Cuando una fuerza axial actúa a lo largo del eje longitudinal y este
eje pasa por el centro geométrico del objeto, será además una fuerza concéntrica; en caso
contrario será una fuerza excéntrica. Las fuerzas perpendiculares al eje longitudinal del objeto se
denominan normalmente como fuerzas verticales.
4.2 FUERZA AXIAL - TRACCIÓN
Es esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan
en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. Lógicamente, se considera que las tensiones que tiene
cualquier sección perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa sección, y poseen sentidos
opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo.
4.3 ESFUERZO PERMISIBLE
Los esfuerzos permisibles son aplicables a miembros prismáticos sujetos a tensión axial producida
por fuerzas que actúan a lo largo de su eje centroide. Cuando haya excentricidades importantes en
las conexiones, sus efectos deben tenerse en cuenta en el diseño del miembro. Cuando se espere
que el elemento estructural en estudio vaya a quedar sometido durante su vida
útil a un número muy elevado de ciclos de carga, en el cálculo de su resistencia se tendrá en cuenta
la posibilidad de una falla por fatiga.
4.1 DEFORMACIÓN UNITARIA
La deformación unitaria se define como el cambio de dimensión por unidad de longitud. El
esfuerzo suele se suele expresar en pascales (Pa) o en psi (libras por pulgadas cuadradas, por sus
siglas en ingles). La deformación unitaria no tiene dimensiones y con frecuencia se expresa en
(pulg/pulg) o en (cm/cm).
4.2 ESTADOS DE DEFORMACIÓN
4.5 LÍMITE DE PROPORCIONALIDAD
Es el esfuerzo máximo que el material puede soportar en su alargamiento proporcional, esfuerzos
menores hacen que el material trabaje elásticamente.
4.5.2 ZONA ELÁSTICA
La zona elástica es la parte donde al retirar la carga el material regresa a su forma y tamaño
inicial, en casi toda la zona se presenta una relación lineal entre la tensión y la deformación y
tiene aplicación la ley de Hooke. La pendiente en este tramo es el módulo de Young del material.
El punto donde la relación deja de ser lineal se llama límite proporcional. El valor de la tensión
en donde termina la zona elástica, se llama límite elástico, y a menudo coincide con el límite
proporcional en el caso del acero.
4.5.3 ESFUERZO DE FLUENCIA
Región en donde el material se comporta plásticamente; es decir, en la que continúa
deformándose bajo una tensión "constante" o, en la que fluctúa un poco alrededor de un valor
promedio llamado límite de cedencia o fluencia.
4.5.4 ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN
Zona en donde el material retoma tensión para seguir deformándose; va hasta el punto de tensión
máxima, llamado por alguna tensión o resistencia última por ser el último punto útil del gráfico.
4.6 DUCTILIDAD
Es la propiedad que tiene un material de deformarse visiblemente (plásticamente) antes de llegar
a la ruptura. Es decir, que el material puede ser estirado considerablemente antes de romperse
4.7 RESILIENCIA
Es la propiedad de un material que permite que recupere su forma o posición original después de
ser sometido a una fuerza de doblado, estiramiento o compresión.
4.8 METALES
Acero: El acero es una aleación metálica, formada por hierro y carbono principalmente, aunque
pude contener otros componentes como el Vanadio y el cromo, para hacerlo más duro o
inoxidable respectivamente. Es un material muy duro y resistente y flexible, se emplea para
construir estructuras, vehículos, maquinas, herramientas y un sinfín de objetos más. Los aceros
parten de un 0.1% de contenido de carbono hasta el 1.7%.
Cobre: El cobre es un metal de color rojizo. Es blando, dúctil y maleable, por lo tanto, fácil de
trabajar; es buen conductor del calor y de la electricidad, funde a 1080º C y tiene una densidad
de 8 g./Cm3. El cobre es uno de los primeros metales utilizados, ya que podemos encontrarlo, en
algunas ocasiones, en estado natural, aunque es más habitual encontrarlo en forma de minerales.
Aluminio: El aluminio es un metal de color blanco brillante, aunque cuando se oxida su color
pasa a ser de un gris apagado. El aluminio se extrae de la bauxita y es un metal, menos denso,
(más ligero) que los anteriores pero muy resistente, es buen conductor del calor y de la
electricidad, aunque menos que el cobre. Una característica muy valiosa es que sólo se oxida muy
superficialmente y esta capa de óxido impide que el material se siga deteriorando. El aluminio es
un material blando y dúctil funde a 660º C y tiene una densidad de 2.7 g./Cm3.
Bronce: El bronce es una aleación de cobre y estaño, aunque también tiene pequeñas
cantidades de plomo, cinc y plata. El bronce es una aleación dura, superada por el acero, pero más
resistente a la corrosión que este y más lubricarle y tiene un punto de fusión bajo.
CONCEPTO DE DUREZA
Se entiende por dureza de un material a la resistencia que opone el material a su deformación
plástica permanente superficial por rayado o penetración. Siempre se cumple que la dureza de
un material resulta inversamente proporcional a la huella que queda en su superficie al
aplicarle una fuerza.
En este sentido, se puede definir también a la dureza de un material como aquella propiedad
de la capa superficial del material de poder resistir toda deformación elástica, plástica o
destrucción debido a la acción de esfuerzos de contacto locales originados por otro cuerpo
(llamado indentador o penetrador), más duro, de determinada forma y dimensiones, el cual no
sufre deformaciones residuales durante el contacto.
Es decir, se entiende por dureza a la propiedad que tienen los materiales en general de resistir
la penetración de un indentador sometido bajo carga, de manera que la dureza representa la
resistencia del material a la deformación plástica localizada en su superficie.
5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
MATERIALES Y EQUIPOS
1. Probetas de tracción de acero AISI 1020 recocido y aluminio recocido (según norma ASTM
E8/E8M).
2. Máquina Universal de Ensayos de Tracción.
3. Vernier para medir los diámetros iniciales e instantáneos de las probetas.
Desarrollo Experimental
1. Se realizó el ensayo de tracción para ambas probetas (acero y aluminio), midiendo el
desplazamiento y la fuerza aplicada.
2. Se realizaron varias pausas durante el ensayo para medir los diámetros instantáneos de las
probetas, lo que permitió obtener las curvas reales de esfuerzo vs. deformación.
3. Los datos de carga y desplazamiento fueron registrados y utilizados para calcular las
propiedades mecánicas de los materiales.
5.1 Resultados experimentales
Ya se han proporcionado los gráficos de carga vs. desplazamiento y esfuerzo vs. deformación
nominal para el acero AISI 1020 y el aluminio recocido. Además, se calcularon las siguientes
propiedades mecánicas para cada material:
●
●
●
●
●
Resistencia a la fluencia (𝑆y )
Resistencia máxima a la tracción (𝑆u )
Esfuerzo de fractura (σ𝑓𝑟)
Porcentaje de elongación (% El)
Reducción de área (% Ar)
ANÁLISIS RESULTADOS
A. Las curvas de Carga vs. Desplazamiento, las curvas nominales o ingenieriles de
Esfuerzo vs. Deformación y para los ensayos donde se midieron los diámetros
instantáneos las curvas reales o verdaderas de Esfuerzo vs. Deformación
Para el Acero 10-20 recocido se presentan las siguientes tablas:
Carga vs desplazamiento
3000
2500
Carga (kgf)
2000
1500
1000
500
0
0
5
10
15
20
Desplazamiento (mm)
Esfuerzo vs deformacion nominal
60
50
Esfuerzo
40
30
20
RECOCIDO
10
1er trabajo en frio
2do Trabajo en frio
0
0
0,1
0,2
Deformación
0,3
0,4
Esfuezo Real Vs Defromacion real
100
90
80
Esfuerzo real
70
60
50
40
30
20
10
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Defromación real
Para el Aluminio recocido se presentan las siguientes tablas:
Carga vs desplazamiento
1200
1000
Carga
800
600
400
200
0
0
1
2
3
4
5
Desplazamiento
6
7
8
9
Resistencia vs deformacion nominal
20
18
16
Resistencia
14
12
10
8
6
4
2
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
Deformación nominal
Esfuerzo Real vs Defromacion Real
0,07
0,06
Esfuerzo real
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
Defromación real
0,06
0,07
0,08
B. Las siguientes propiedades para cada una de las probetas ensayadas incluyendo las
probetas trabajadas en frío (valores experimentales):
1. La resistencia a la fluencia, Sy. En caso de ser necesario puede emplear la
convención del método del offset del 0,2%.
Resultados para el acero AISI 10-20 recocido
𝑆𝑦 = 26,016
𝑆𝑦′ = 41,395
𝑆𝑦′′ = 52,947
Para el aluminio:
𝑠𝑦 = 13,78
2. La resistencia máxima a la tracción, Su:
𝑆𝑢 = 41,291
𝑆𝑢′ = 45,139
𝑆𝑢′′ = 52,947
Para el aluminio
𝑆𝑢 = 17,227
3. La resistencia y el esfuerzo de fractura, Sfr y σ fr respectivamente.
Sfr = 29,610
σfr = 88,466
Sfr′ = 31,969
σfr′ = 88,466
Sfr′′ = 37,156
σfr′′ = 88,466
Para el aluminio
Sfr = 8,654
σfr = 102,169
C. Para los ensayos donde se midieron los diámetros instantáneos las curvas reales o
verdaderas de Esfuerzo vs. Deformación
1. El esfuerzo y la deformación a la fluencia, σ y fr εy.
σy=787,946
εy=1,094
σy'=1739,332
εy'=0,04
σy''=2100,51
εy''=0,15
Para el aluminio se tiene que:
σy=3,768
εy=2,234
2. El esfuerzo y la deformación máxima a la tracción, σ u y ε u.
Para el acero 10-20 se tiene:
σu=1721,996
εu=3,82
σu'=1824,70
εu'=3,85
σu''=2172,07
εu''=3,93
Para el aluminio:
σu=374,84
εu=3,079
3. El esfuerzo y la deformación de fractura
Para el acero 10-20:
σ fr y ε fr.
σfr=1063,98
εfr=3,57
σfr'=1236,58
εfr'=3,65
σfr''=1669,48
𝜀𝑓𝑟′′ = 3,80
Para el aluminio:
σfr=94,60
εfr=2,49
4. El porcentaje de elongación, %El.
%El= (57,693-53,22) /53,22*100=8,40%
%El= (57.723-53,22) /53,22*100=8,46%
%El= (57,88-53,22) /53,22*100=8,756%
Para el aluminio
%El= (61,037-51,41) /51,41*100=18,73%
5. El porcentaje de reducción de área, Ar.
El porcentaje de reducción de área, %Ar.
%Ar= (62,49-1,79) /62,49*100=97,13%
%Ar'= (59,45-1,66) /59,45*100=97,20%
%Ar''= (51,15-1,43) /51,15*100=97,20%
Para el aluminio
%Ar= (64,93-5,94) /64,93*100=90,85%
D. Adicionalmente para todas las probetas.
Propiedad
/Material
Sy (Kgf/mm2)
y
y (Kgf/mm2)
Su (Kgf/mm2)
u
u (Kgf/mm2)
Sf (Kgf/mm2)
f
f (Kgf/mm2)
%El.
% Ar
Acero Recocido
26.016
1.094
787.946
41.291
3.82
1721.996
29.610
3.57
1063.98
8.40
97.13
Acero trabajado en
frío 1
41.395
0.04
1739.332
45.139
3.85
1824.70
31.969
3.65
1236.58
8.46
97.20
Acero trabajado en
frío 2
52.947
0.15
2100.51
52.947
3.93
2172.07
37.16
3.80
1669.48
8.756
97.20
Aluminio
13.78
2.234
3.768
17.227
3.079
374.84
8.654
2.49
561.93
18.73
90.85
CONCLUSIONES
Se ha presentado un análisis experimental y numérico del comportamiento termo mecánico de
una probeta cilíndrica de acero AISI 1020 y Aluminio utilizadas en el ensayo de tracci6n. A
través de dicho ensayo se han podido determinar las propiedades mecánicas del material.
Determinando que:
1. El acero AISI 1020 recocido presenta una mayor resistencia a la tracción que el aluminio
recocido, pero el aluminio tiene una mayor ductilidad.
2. Las curvas de esfuerzo-deformación reales confirman que el aluminio experimenta una
mayor deformación antes de la fractura, lo cual es consistente con sus propiedades de
ductilidad.
3. La ley de Hooke describe adecuadamente la región elástica de ambos materiales, mientras
que la ecuación de Hollomon es útil para modelar el endurecimiento plástico.
BIBLIOGRAFÍA
1. Datsko, Joseph. "Materials Properties and Manufacturing Processes". John Wiley.
2. Blanco, Oswaldo. Procesos de Fabricación. Conceptos Básicos.
3. Kalpakjian, Serope y Schmid, Steven. “Manufactura, Ingeniería y Tecnología”. Prentice
Hall. 2002.
4. Dieter, E. "Metalurgia Mecánica". Mc Graw-Hill.
5. Rowe, Geoffrey. "Principles of Industrial Metalworking Processes". Edward Arnold.