informe traccion
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Laboratorio de Comportamiento Mecánico de Sólidos
Índice Página
1. Introducción…………………………………...…………………………………….
1
2. Objetivos…………………………………………………..……….………………. 2
3. Base Teórica…………………………………………..……………………………..3
4. Procedimiento Experimental…………………………………………………...……6
5. Resultados …………………………………………………………………………7
6. Análisis……..……………………………………………………………................12
7. Conclusiones……………………………………………………………………….15
8. Anexos……..……………………………………………………………………….16
9. Referencias………………………………………………………………………....18
Universidad de Santiago de Chile
Laboratorio de Comportamiento Mecánico de Sólidos
1. Introducción
Poder identificar el material con que se está trabajando es
fundamental para realizar cualquier tipo de labor. En la metalurgia, uno
de los recursos mas usados es el ensayo de tracción. Es de vital
importancia, en este ámbito, saber como determinar experimentalmente
las propiedades mecánicas y características de un material, realizando
este ensayo.
En el siguiente informe, se determinarán, con datos
experimentales, las características de un acero desconocido y se tratará
de identificar el mismo. Además se estudiará la influencia de realizar un
ensayo bajo las normas NCh200 y fuera de ella, y que influencia tiene en
los valores obtenidos.
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2. Objetivos
2.1 Objetivos Generales
Determinar que tipo de acero corresponde la probeta traccionada
Observar como afecta la velocidad de deformación en los
principales a los resultados obtenidos.
2.2 Objetivos Específicos
Determinar propiedades mecánicas y características de materiales
sometidos a tracción uniaxial.
Conocer que datos pueden ser obtenidos con un ensayo de
tracción.
Aprender a trabajar con datos reales de un ensayo de tracción
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3. Base Teórica
3.1 Limite elástico: Es el punto de la curva esfuerzo-deformación, que
divide los comportamiento elástico y plásticos del material.
3.2 Rango Elástico: Es el intervalo de la curva esfuerzo-deformación,
donde el material se comporta elásticamente. Usualmente es una recta.
3.3 Ley de Hooke: Relaciona el esfuerzo y la deformación en rango
elástico, esta dado por:
(1)
σ:
Esfuerzo.
E:
Módulo de Young.
ε:
Deformación.
El modulo de Young (E) es la constante de proporcionalidad en la ley de
Hooke y la pendiente de la curva esfuerzo-deformación, en su región
elástica
3.4Ultimate Tensile Strenght (UTS): Es el esfuerzo máximo
observado en la curva esfuerzo-deformación. Es el esfuerzo al cual
se comienza a formar el cuello en la probeta.
3.5Esfuerzo de Fluencia (σo): Corresponde al esfuerzo al cual la
probeta se ah deformado un 0,2%, como muestra la figura 3.1. Este
valor (porcentaje de deformación) es impuesto y no corresponde
necesariamente al esfuerzo de cedencia real.
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Figura 3.1 Esfuerzo de
Cedencia Convencional
3.6Estriccion o encuellamiento: Es el lugar de la probeta donde se
produce la reducción del área transversal de la misma. Comienza en
UTS.
3.7 Esfuerzo verdadero:
(2)
3.8 Esfuerzo ingenieril:
(3)
3.9 Deformación verdadera:
(4)
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3.10 Deformación ingenieril:
(5)
3.11 Resiliencia: Es la capacidad de un material de absorber energía
cuando se deforma elásticamente.
3.12 Modulo de Resiliencia: Corresponde a la energía de deformación
por unidad e volumen requerida para deformar el material hasta el
límite elástico σo.
(6)
3.13 Ajuste de Hollomon: Para la zona de deformación plástica
uniforme se puede relacionar el esfuerzo verdadero con la
deformación verdadera por:
(7)
donde: K es una constante
n corresponde a la pendiente de ln σ0 vs ln εv .n recibe el
nombre de índice de endurecimiento por deformación.
Si n=0 el material es perfectamente plástico.
n=1 corresponde a un sólido elástico.
3.14 Alargamiento a rotura: Es el porcentaje de alargamiento que
sufrió la probeta luego de haber sido traccionada.
(8)
3.15 Porcentaje de reducción de área:
(9)
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3.16 Fluencia Heterogénea: Esta se puede representar a través de
las bandas de Lüders y la atmosfera de Cottrel, estos fenómenos se dan
en aceros bajo al carbono, las bandas de Luders se presentan debido a
planos de deslizamientos aparecidos mediante un ensayo de tracción,
aparecen a 45º con respecto al eje e indican que el material falla en
corte a lo largo de planos sobre los que el esfuerzo cortante es máximo.
Estas bandas aparecen por el re-entrabamiento de las dislocaciones.
4. Procedimiento Experimental
Requerimientos y Equipos
.
2 probetas de acero estándar
Pie de metro, sensibilidad de 0.05 [mm]
Máquina de tracción Tinus & Olsen, sensibilidad de es 0.01 Kg
Extensómetro
Programa Computacional
Procedimiento experimental
Se tienen dos probetas del mismo tipo de acero, estándar.
Se miden las dimensiones de ambas, largo y diámetro, con pie de
metro, según las marcas especificadas.
En la primera se realiza el ensayo de tracción según Nch200, al
inicio del mismo se coloca el extensómetro en la probeta, se tiene
cuidado de retirarlo cuando comience la fluencia del material, con
el propósito que no se dañe.
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Se miden diámetro y distancia entre marcas con el pie de metro,
se almacenan los datos obtenidos para la probeta 1.
En la segunda probeta, se realiza un ensayo de tracción que
difiere del anterior en la velocidad de deformación, que se
aumenta a 80 [mm/min]. También se sitúa el extensómetro al
inicio y se retira al momento de comenzar la fluencia.
Se miden diámetro y distancia entre marcas con el pie de metro,
se almacenan los datos obtenidos para la probeta 2.
5. Resultados
Tabla 5.1 Dimensiones de ambas probetas[mm] Probeta 1 Probeta 2Largo inicial 50,00 50,00Largo Final 68,55 64,95
Diámetro incial 8,95 9,00
Diámetro final 5,80 5,75
Ensayo 1
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Figura 5.1 Esfuerzo v/s Deformación, ingenieril y Real (verdadero), para probeta 1
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Esfuerzo vs Deformacion
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Deformación
Esf
ue
rzo
[MP
a]
Ingenieril
Real
Zona elástica Esfuerzo vs Deformacion
y = 191076x
R2 = 0,9982
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025
Deformacion
Es
fue
rzo
[MP
a]
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Figura 5.2 Zona elástica de la curva esfuerzo- Deformacion ingenieril para probeta 1
Tabla 5.1 Valores Obtenidos
Modulo de Young [GPa] σ UTS[MPa]
Deformación de fractura ε Resiliencia[KPa] % Elongación
P1 192 573,3 0,31 402,2 37,1
Tabla 5.2 Propiedades del ensayo de tracción, valores mínimos según norma Nch204Grado del acero
A37-24H A44-28H A56-35HResistencia a la traccion
[MPa]370 440 560
Fluencia [Mpa]
240 280 350
Tabla 5.3 n y K Calculados con distintos ajustes(anexo 1)
Probeta 1 n K[MPa]Hollomon 0,2452 1053,212
Ludwik 0,2465 2,682Considere 0,1809 935,951
Ensayo 2
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Esfuerzo vs Deformacion
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Deformacion
Es
fue
rzo
[MP
a]
ing
Real
Figura 5.3 Curvas Esfuerzo-Deformación, ingenieril y Real para probeta 2
Zona Elástica Esfuerzo vs Deformacion
y = 385355x
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006 0,0007 0,0008 0,0009 0,001
Deformacion
Esf
uer
zo[M
Pa]
Figura 5.4 elástica de la curva esfuerzo- Deformación ingenieril para probeta 1
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Tabla 5.4 Valores obtenidos de Probetas 1 y 2
Modulo de Young [GPa] σ UTS[MPa]
Deformación de fractura ε Resiliencia[KPa] % Elongación
P1 192 573,3 0,31 402,2 37,1P2 385 568,4 0,29 225,6 29,9
Esfuerzo vs Deformacion
0
100
200
300
400
500
600
700
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Deformacion
Esf
uer
zo[M
Pa]
Ingenieril Normado
Ingenieril fuera de norma
Figura 5.5 Curva esfuerzo-deformación ingenieril, probetas 1 y 2
Figura 5.6 Ampliación
de figura 5.4 en la zona
elástica con recta
paralela al módulo de
elasticidad en 0,02 de
deformación.
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Tabla 5.5 Esfuerzos de Fluencia para ambas probetas
σ0[MPa]
P1 393P2 417
6. Análisis
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Durante la realización de este laboratorio, solo se estudió el
ensayo de tracción en si, no se consideró la preparación previa de las
probetas, que se estimó, fueron correctamente dispuestas.
Luego de realizar ambos ensayos, se obtuvieron los datos de
esfuerzo y deformación, junto con los de posición que son determinado
por la maquina. Ya que el extensómetro, que medía el alargamiento de
la probeta, se retiró cuando comenzaba la deformación plástica para
evitar que se dañara, los datos utilizados para determinar la
deformación posterior, se calcularon con la formula (5).
De los datos obtenidos para el ensayo 1, que se realizó según
NCh200, se graficó la curva esfuerzo-deformación, tanto ingenieril como
real, que fue obtenido con las formulas (2) y (4), esto se ve en la figura
5.1. Se observa que al final de la zona plástica está presente la
deformación heterogénea, que se manifiesta como bandas de Lüders en
la probeta traccionada, este fenómeno es característico de los aceros de
bajo carbono. En la figura 5.2 se muestra de la curva esfuerzo-
deformación, la zona elástica de la probeta 1. Se aplicó una regresión
lineal a los datos para estimar la pendiente, y al mismo tiempo, el
modulo de elasticidad del material. Cabe señalar que este cálculo se
realizó a modo de verificación de datos, pero en realidad no es posible
calcular de forma exacta el modulo de young mediante un ensayo de
tracción. Los resultados se presentan en la tabla 5.1. El modulo de
young resultó 193[GPa], que es muy cercano a lo teórico. Comparando
lo valores obtenidos de la tabla 5.1 y 5.5, con los de la norma Nch204,
contenidos en la tabla 5.2, se observa que el esfuerzo de fluencia
obtenido que fue de 393[MPa] , supera los mínimo de los tres tipos de
aceros especificados, pero viendo el valor de la resistencia la tracción o
UTS, se nota que el obtenido de 573,3[MPa], se acerca más al del acero
tipo A56-35H.
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En la tabla 5.3 se presentan los resultados de los ajustes
aplicados. La mayor diferencia, en el índice de endurecimiento por
deformación, la presentó el ajuste de Considere con un n=0,1809,
mientras que los otros ajustes son de valores muy cercanos, con
n=0,2452 y n=0,2465. Aun así, se puede decir que el material se
comporta más plástica que elásticamente, y que su valor se acerca al
del característico de aceros de bajo carbono. Respecto al valor de K,
tanto los valores de Hollomon y Considere, están dentro del rango de
valores normales para un acero y resultaron K=1053,212 y K=935,951.
La gran diferencia de valor de Ludwik, se puede explicar debido a la
aplicación del ajuste que no es única, ya que existen numerosos
métodos para poder realizarlo. Los tres ajustes mostraron resultados
muy cercanos. El ajuste de Hollomon es el que actualmente se
considera como el estándar, pero no se podría decir si es más exacto
que los otros ajustes. A modo de comparación, el ajuste de Ludwik
mostró ser el más cercano a este. Luego, tomando en cuenta la
presencia de bandas de Lüders en la figura 5.1, características de aceros
de bajo carbono, los resultados de las tablas 5.1 y 5.6 , además de los
criterios de fluencia y resistencia a la tracción de la norma Nch204, se
puede concluir que el acero traccionado corresponde a un acero de
construcción A56-35H.
Los resultados obtenidos para el ensayo 2, que se realizaron
fuera de la norma, con una velocidad de 80 [mm/min], se trabajaron de
forma similar a los anteriormente comentados. La figura 5.3 muestra las
Curvas Esfuerzo-Deformación, ingenieríl y Real para la probeta 2.
También presenta bandas de Lüders, lo que es de esperarse ya que es
característico del acero ensayado. La figura 5.4, muestra la zona
elástica del grafico mencionado anteriormente, y al igual que para el
ensayo 1, se realizó una regresión lineal a los datos, resultando un
modulo de elasticidad de 385[GPa], que es aceptable por lo motivos
explicados anteriormente. De la figura 5.6, se determinaron los
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esfuerzos de fluencia. Se trazó una paralela a la zona elástica del
grafico, en un 0,002 de deformación, se nota que las zona de bandas en
el ensayo 2, es mayor que del ensayo 1. En la tabla 5.4 y 5.6 se
presentan los resultados de propiedades mecánicas obtenidos para el
ensayo normado y no normado. En esta última, se observan esfuerzo de
fluencia de 393[MPa] y 417[MPa], para lo ensayos 1 y 2
respectivamente. El que estaba fuera de norma resultó superior, esto se
debe al aumento en la velocidad de deformación, que dificultó el
deslizamiento de dislocaciones en el material. Esto también se refleja en
los resultados del porcentaje de elongación, resiliencia y deformación
de fractura para la probeta 2, que fueron menores al ensayo normado, lo
que indica un comportamiento diferente de deformación frente a una
velocidad distinta. Esto se ve gráficamente en la figura 5.5, donde se
comparan ambos ensayos. Finalmente, se puede decir, que la velocidad
de deformación en el ensayo de tracción afecta las propiedades
mecánicas calculadas del material, por lo tanto al realizar ensayos de
tracción, es necesario que se encuentren bajo la norma correspondiente,
para que los resultados obtenidos sean comparables entre si.
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7. Conclusiones
Ensayo 1
Se lograron determinar las propiedades mecánicas de un material
sometido a tracción uniaxial
El esfuerzo de fluencia resultó 393[MPa]
El modulo de young resultó 192[GPa]
Para el calculo del n, el ajuste mas cercano a Hollomon fue el de
Ludwik
Para el calculo de K, el ajuste mas cercano a Hollomon fue el de
Considere
El material traccionado corresponde a un acero de construcción
A56-35H.
Ensayo 2
El esfuerzo de fluencia fue menor al Normado
El UTS, Módulo de resiliencia, porcentaje de elongación y esfuerzo
de fractura, fueron menores a los bajo norma.
La velocidad de deformación afecta las propiedades mecánicas del
material obtenidas.
Se aprendió a trabajar con datos reales de un ensayo de tracción.
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8. Anexos
1. Para el ajuste de Hollomon
Figura 8.1
Ln(esfuerzo verdadero) vs Ln(deformación verdadera)para ajuste de Hollomon
Para Ludwik
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Hollomon
y = 0,2462x + 6,9596
R2 = 0,9986
5,9
6
6,1
6,2
6,3
6,4
6,5
6,6
-4,5 -4 -3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0
Ln(Deformacion verd)
Ln(e
sfue
rzo
ve
rd)
Ludwik
y = 0,2465x + 0,9866
R2 = 0,9985
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-5 -4 -3 -2 -1 0
Ln(deformacion)
Ln(s
igm
a/si
gma0
)
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Figura 8.2 Ln(esfuerzo verdadero/esfuerzo fluencia) vs Ln(deformación
verdadera)para ajuste de Ludwik
En el cálculo del ajuste de Ludwik, se uso la expresión:
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9. Referencias
D. Askeland, “La Ciencia e Ingeniería de Materiales”, Grupo
Editorial
Iberoamérica, tercera edición.
Alberto Monsalve G., Apuntes Comportamiento Mecánico de
Sólidos
Departamento de Ingeniería Metalúrgica –USACH.
Nch204, Acero-barras laminadas en caliente para hormigón
armado, Norma chilena oficial.
Nch200, Productos metálicos, ensayo de tracción, Norma chilena
oficial
Universidad de Santiago de Chile19
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