ensayo de tracción

Ing. Enrique De La Cruz 1

PROPIEDADES MECÁNICAS

Propósito de la sesión de clases:

Conocer las principales Propiedades Mecánicas a partir de la realización deEnsayos destructivos, en particular el de tracción, que influyen finalmente en lacalidad de los materiales de ingeniería.

Ing. Enrique De La Cruz

2


Introducción:

El conocimiento de las diferentes propiedades que los materiales de ingenieríanos ofrece exige que a éstos se les someta a una serie de pruebas o Ensayosnormalizados según estándares nacionales o internacionales.

Los ensayos se clasifican según la deformación o destrucción física que se lepueda hacer al material, tenemos:

Ensayos destructivos:

Tracción

Torsión

Impacto

Cizalladura

Fatiga, etc.

Ensayos no destructivos

Tintes penetrantes

Partículas magnéticas

Ultrasonido

Rayos X

Tipos de

esfuerzos

Se estudiarán algunos Ensayos Destructivos cuya finalidad es darnos aconocer las principales Propiedades Mecánicas de ingeniería.

¿Qué son las Propiedades Mecánicas y cuál es su importancia?


3


Son aquellas que están relacionadas con el comportamiento del materialcuando se les somete a esfuerzos.

Nos permiten medir la resistencia del material a determinados esfuerzos,aspectos que influyen y muchas veces condicionan sobre la calidad de losmismos.

ENSAYOS MECÁNICOS

Ensayo de dureza

Ensayo de impacto

Ensayo de tracción

Ensayo de flexión

Ensayo de fatiga

Agrupa aquel conjunto de procedimientos normalizados cuyo objetivo esdeterminar propiedades y/o características de los materiales, o tambiéndeterminar el estado servible de un material que ya trabajo.


Maquina de

Ensayo

Probeta para

Ensayo

Probetas al final del ensayo de

tracción hechas de:

Al, Cu, Bronce, Acero corrugado

y Hierro gris, respectivamente.

ENSAYOS MECÁNICOS

ENSAYO DE TRACCIÓN

Al Cu Bronce

ENSAYO DE COMPRESIÓN

Probetas antes y después del ensayo

ENSAYOS MECÁNICOS

Se coloca una probeta sujetada por dos mordazas, una fija y otra móvil. Se mide la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidadseleccionable. La celda de carga, conectada a la mordaza fija, entrega una señal que representa la cargaaplicada.

≠ Composiciones químicas de los materiales…

Propiedades diferentes

Cada material secomportará de distintamanera ante la acciónde una fuerza.

Ensayo de Tracción

Es el ensayo destructivomás importante quebrinda al ingeniero uncriterio para la seleccióndel material paradeterminada aplicación.


ENSAYO DE TRACCIÓN

PROBETA:

Dimensiones y forma según lanorma que se utilice. NTP ASTM – DIN – ASME – JIS –UNE – AISI – AFNOR – UNI –GOST, etc.

ENSAYO DE TRACCIÓN

De los diferentes materiales deingeniería, no se usa para aquellos queson cerámicos, para ellos se utiliza elensayo de compresión.

¿La probeta puede ser de cualquiermaterial?

Importante:Se debe garantizar que la roturade la probeta esté siempredentro de las marcas señaladas.

So

Lo

Ing. Enrique De La Cruz8

Con el objeto que en cada ensayo se obtengan resultados comparables, lasdimensiones de las probetas han sido normalizadas.

A partir de (3), si se sigue aplicando más esfuerzo, la probeta se vaalargando y su sección transversal(área) se va reduciendo.

DIAGRAMA: FUERZA - ALARGAMIENTO


9

El ensayo de Tracción nos permite determinar la curva esfuerzo –deformación de cada material donde podremos determinar suscaracterísticas elásticas, plásticas y de tensión que pueda soportar elmaterial.


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DIAGRAMA: TENSIÓN – DEFORMACIÓN UNITARIA

F : Carga aplicada (N)Ao: Área de la sección transversal de laprobeta sin deformación (m2)

AO

σ : Esfuerzo o tensión ingenieril (Pa = N/m2)

∆L : Alargamiento oelongación (mm)Lo: Longitud inicial de laprobeta sin deformación(mm)

En 1, el material se comporta como unresorte, es decir, recupera su formainicial cuando se elimina la cargaaplicada.

En 2, los alargamientos que se producen sonpermanentes, es decir, el material ya no se comportacomo un resorte. Cuando se elimina la cargaaplicada, el material mantiene una deformaciónpermanente.



Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.

En la región descrita por la línea OA, el esfuerzo,σ, y la deformación,ε, son directamenteproporcionales, se dice entonces que el comportamiento del material es lineal.

Después del punto A ya no existe esta relación lineal por lo que el esfuerzo en el punto Ase denomina límite de proporcionalidad.

Límite de proporcionalidad

Esfuerzo de fluencia

Región lineal

Plasticidad perfecta o

fluencia

Endurecimiento por deformación

Estricción

X

X´


Estricción

Resistencia a la

tracción



La relación lineal entre el σ y la ε puede expresarse mediante la ecuación (Ley de Hooke)

σ = E ε, donde E es una constante de proporcionalidad conocida como el módulo deelasticidad del material. El módulo de elasticidad, E, es la pendiente del diagrama σ vs ε enla región linealmente elástica, y su valor depende del material particular que se utilice.



Región lineal


fluencia


Estricción

X

X´


Estricción

Resistencia a la

tracción


Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto defluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformaciónpermanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría máslarga que al principio. La Ley de Hooke no se cumple con exactitud y se defineque ha comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre lazona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia (yield point)

σ

ε


σmáx.




Después de sufrir las deformaciones en BC, el material muestra un endurecimientopor deformación. En este proceso sufre cambios en sus estructuras cristalinasposibilitando un incremento en la resistencia del material.Un alargamiento requiere de un incremento en la carga de tensión, y el diagramaσ vs ε toma una pendiente positiva desde C hasta D.




Región lineal


fluencia


Estricción

Esfuerzo último

X

X´

Tensión de rotura

Estricción

Resistencia a la

tracción



La carga alcanza su valor máximo y el esfuerzo correspondiente (en el punto D) sedenomina resistencia a la tracción. De hecho, el alargamiento posterior de labarra se acompaña de una reducción en la carga y finalmente se presenta lafractura en un punto X.



Región lineal


fluencia

Endurecimiento por deformación Estri

Esfuerzo último

X

X´


Resistencia a la

tracción

Estricción


1. EN LA ZONA ELÁSTICA

Ley de Hooke

σ = E . ε

Implica un rango de tensiones para el que se cumple una correlacióncuasilineal entre σ y ε

Límite elástico (σE)Valor máximo de tensión que puedesoportar un material, manteniendo sucomportamiento elástico.


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PROPIEDADES MECÁNICAS: σE(σy) vs Ԑ

Módulo de elasticidad o de Young (E)Relación existente entre la tensión aplicada yla deformación unitaria producida.

σE

E = tg αE = tg αGráficamente, E, es la pendiente de la líneaelástica.

Dicha linealidad es una corroboración gráfica de laley de Hooke, donde, E, sería la constante deproporcionalidad.


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1. EN LA ZONA ELÁSTICA

Límite elástico (σE)

Para los materiales: fundición, hormigón yvidrio, por ejemplo, en los diagramas σ y εno se presentan una zona de fluenciadefinida, por lo que en estos materiales setoma convencionalmente como esfuerzode fluencia el esfuerzo al que correspondeuna deformación permanente igual al0,2%.

Implica un rango de tensiones para el que se cumple una correlacióncuasilineal entre σ y ε

σp0,2

PROPIEDADES MECÁNICAS: σE(σy) vs Ԑ

IMPORTANCIA DEL σy y “E”

El límite elástico: σy

Expresa la resistencia que tiene

el metal a la deformación

plástica permanente.

Indica la facilidad con la que el

material puede ser conformado

mediante operaciones de

laminado y estirado.

Es por lo general mayor en los

cerámicos que en los metales.

Su módulo, por lo general, está

por debajo del valor de la

resistencia a la tracción del

material.

El Módulo de Young: E Representa la rigidez del material o la

resistencia a su deformación elástica.

Se relaciona inversamente con la

cantidad de deformación que experimenta

el material por debajo de su límite

elástico.

Depende del tipo de enlace que

experimentan cada uno de sus unidades

estructurales (átomos, iones o moléculas)

del material así como de la temperatura.

2. ZONA PLÁSTICA

Esta zona corresponde a la región delimitada por tensiones superioresal límite elástico (σE), no existiendo proporcionalidad entre lastensiones aplicadas y las deformaciones producidas.


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DIAGRAMA TENSIÓN – DEFORMACIÓN UNITARIA

σM

σE

La tensión sigue aumentando hastaalcanzar un valor máximo,denominado resistencia última a latracción o, simplemente, resistenciaa la tracción, σM

PROPIEDADES MECÁNICAS:

σM , ductilidad y tenacidad

2. ZONA PLÁSTICA

Esta zona corresponde a la región delimitada por tensiones superiores allímite elástico (σE), no existiendo proporcionalidad entre las tensionesaplicadas y las deformaciones producidas.


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Entre la zona comprendida entre σp0,2

y σM, la resistencia aumenta amedida que aumenta la deformación,fenómeno que se conoce comoendurecimiento por deformación,que se manifiesta en el conformadodel material mediante la acritud(deformación en frio).

σM

σp0.2 Endurecimiento por deformación



Estricción (Z)Medida de la reducción de sección dematerial.

Área bajo la curva de tracciónEnergía absorbida durante el ensayo detracción. Es un indicativo de latenacidad del material.

2. ZONA PLÁSTICA


Alargamiento a la rotura (A)Deformación relativa del material hasta larotura.

AO - Af

AO

%Z = x 100



2. ZONA PLÁSTICA


¿Por qué finalmente se rompe el

material?

Se debe a que a partir del punto e

el debilitamiento producido por la

estricción (contracción lateral)

supera al aumento de resistencia

de la acritud.

ef




24

Resumiendo…


¿Qué propiedades mecánicas clave se obtienen del Ensayo de Tracción?

1

2

3

5

4

1.- Módulo elástico, E.

2.- Límite elástico, σE = σp 0,2

3.- Resistencia a la tracción, σR

4.- Ductilidad, 100 x εfractura

Tener presente que hay unarecuperación elástica antes de lafractura.

εfractur

a

σf

5.- Tenacidad = ∫σ dε que gráficamenterepresenta la gráfica bajo la O σf


En general se pueden presentar las siguientes gráficas para los diversos materiales de ingeniería.

Conclusión:La tenacidad de una aleación depende principalmente de la combinaciónentre la resistencia y el grado de ductilidad.

Caso 1- aleación de elevadaresistencia pero frágil,Caso 2- aleación deformable conuna baja resistencia.

¿Qué es lo que se desearía?Caso 3- aleación de elevadaresistencia y una ductilidadimportante. 2

3

1 Baja tenacidad

Alta tenacidad

Baja tenacidad


DIAGRAMA: TENSIÓN y DEFORMACIÓN REAL

¿Después de la tensión σM

realmente ésta comienza adisminuir?

Rpta.: No, en realidad porconvención las tensiones han sidocalculadas en referencia de ladimensión inicial de la probeta,F/Ao

Cuando se alcanza la tensión, σM

La probeta comienza a sufrir unaestricción dentro de la longitudcalibrada. La tensión verdadera, σM

= F/Areal continua aumentandohasta alcanzar el puntocorrespondiente a la rotura.

σM

convencional

real


AO

DIAGRAMA: TENSIÓN y DEFORMACIÓN REAL

Anelasticidad

Coeficiente de Poisson

Representa la relación negativa de deformacioneslaterales y axiales cuando se aplica esfuerzo detracción sobre la probeta de metal.El esfuerzo en el eje z, provoca constricciones enlas direcciones laterales (x e y), perpendiculares ala dirección del esfuerzo aplicado.

ANELASTICIDAD y COEFICIENTE DE POISSON

Expresa el comportamiento elástico dependiendo del tiempo, como resultado deprocesos microscópicos y atómicos resultantes de la deformación. ¿Qué quieredecir ello? Que en algunos materiales la deformación a lo largo de una direccióndepende del tiempo, es decir, que una vez que se retira la carga, el material novuelve instantáneamente a su posición inicial o que permanece constante en eltiempo, en otras palabras, el material requiere algún tiempo para que vuelva a suestado inicial.

Unidades y factores de conversión

1 libra (lb) = 4,448 newtons (N)

1 psi = 1 libra por pulgada cuadrada (lb/pulg2)

1 MPa = 106 Pa = 106 N/m2

1 ksi = 1000 psi = 6,895 MPa

1 MPa = 145 psi

EJERCICIOS SOBRE ENSAYOS DE TRACCIÓN


¿Qué interpretación podemos hacer delcomportamiento σ-ε del hierro a trestemperaturas? Respuesta:

A mayor T, menor σE y σM

pero mayor ductilidad. Su

resistencia disminuye pero

aumenta su ductilidad.

A T muy bajas, -200ºC por

ejemplo, tiene un

comportamiento frágil.

PROB.: 1 Teniendo en cuenta que, un material se considera frágil si presentauna deformación a la fractura aproximadamente menor que 5%...

(deformación)

PROB. 2CÁLCULO DEL ALARGAMIENTO ELÁSTICO

Una pieza de cobre de 305 mm delongitud es sometida a traccióncon un esfuerzo de 276 MPa. Si ladeformación únicamente eselástica, ¿cuál será elalargamiento resultante?

Metal /aleación E (GPa)

Acero 207

Latón 97

Cobre 110

Aluminio 69


PROB. 3

Una barra cilíndrica de acero (E=207 GPa) que

tiene un límite elástico de 310 MPa va a ser

sometida a una carga de 11 100N. Si la longitud

de la barra es 500 mm, ¿cuál debe ser el

diámetro para permitir un alargamiento de 0.38

mm?


PROB. 4

Una muestra de aluminio puro comercialmente de

0,5” de ancho y 0,04” de espesor y 8” de longitud,

tiene una longitud calibrada de 2”, en el medio de

la muestra, si se le somete a tracción de tal modo

que su nueva longitud es 2,65”. Calcule la

deformación unitaria y el porcentaje de

alargamiento.


Una barra de cobre de 3 pies de longitud y

0,5pulg2 de sección, está asegurada en uno de

sus extremos, en el otro extremo está asegurada

una barra de acero de longitud “L” y de sección

0,2pulg2. La barra así compuesta está sometida a

una tensión de 6000 lb aplicadas en una de sus

extremos. Calcular:

La longitud “L” de la barra de acero de modo que

las elongaciones sean iguales en ambas barras.

E acero = 3 x 107 lb/pulg2 y

E Cu = 1,8 x 107 lb/pulg2.

PROB. 5

L

3 pies

F = 6000 libras



PROB. 6

A una barra cilíndrica de latón de 10 mmde diámetro se le aplica un esfuerzo detracción en la dirección de su eje mayor.Determine la magnitud de la carganecesaria para producir un cambio en eldiámetro de 2.5 x 10-3 mm; si ladeformación es completamente elástica.

Metal /aleación E (GPa)

Acero 207

Latón 97

Cobre 110

Aluminio 69

CÁLCULO DE LA CARGA PARA PRODUCIR UN CAMBIO ESPECIFICADO DELDIÁMETRO

Df

Do

Lo Lf

X

Z

Metal /aleación

Coeficiente de Poisson (ν)

Acero 0.30

Latón 0.34

Cobre 0.34

Aluminio 0.33

PROB. 7


Según el comportamiento de esfuerzo – deformación a la tracción de laprobeta de un material metálico, como se muestra en la figura, determine:

b) Límite elástico para una deformaciónplástica de 0,002

c) Carga máxima que puede soportarla probeta cilíndrica de diámetrooriginal de 12,8 mm

d) Cambio de longitud en la probeta,originalmente de 250mm de largo,la cual fue sometida a una tracciónde 345MPa

Metal /aleación

E (GPa)

Acero 207

Latón 97

Aluminio 69

a) Módulo deelasticidad y tipo dematerial que seensaya.

0.0016

150

0.06

345

Esfu

erzo

(M

pa)

Deformación

Resistencia a la tracción450 MPa

Límite elástico250 MPa

Tomado de W. Callister – 8va. Edición

DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS A PARTIR DELDIAGRAMA DE ESFUERZO - DEFORMACIÓN

PROB. 8


ENSAYOS DE TRACCIÓNEjercicios – trabajo grupal

Con los datos del ejercicio anterior (aleación de aluminio de 0,505 pulg dediámetro y longitud inicial de 2pulg.), calcule:1.- el módulo de elasticidad de la aleación de aluminio. Use el módulo paradeterminar, después de deformarse, la longitud de una barra que inicialmentemide 50 pulgadas. Suponga que la magnitud del esfuerzo aplicado es 30 000 psi.

MÓDULO DE YOUNG DE UNA ALEACIÓN DE ALUMINIO

2.- el % de elongación y el %de reducción en área, si laaleación tiene una longitudfinal, después de fallar, de2.195 pulgadas, y en lasuperficie fracturada eldiámetro es de 0.398pulgadas.

3.- comparar esta longitudfinal con la obtenida de losdatos de la tabla en la fractura.

Resultados de un ensayo de tracción ejecutado sobre un espécimen de una aleación dealuminio de 0,505 pulg de diámetro, siendo su longitud inicial (Lo) de 2pulg.

Convierta los datos de carga y elongación (alargamiento) de la tabla adjunta aesfuerzo (σ) y deformación unitaria (ε) y trace una curva de σ y ε ingenieril.

Carga (lb) Alargamiento, ΔL, (pulg)

Carga máxima

Fractura

Esfuerzo(σ) Deformación (ε)

Calculado

05 000

15 00025 00035 00037 50039 50040 00039 70038 000


Límite elástico

Resistencia a la tracción

Resistencia de cedencia(deformación convencional)r

Longitud de rotura

Elongación de falla

Esfu

erzo

(σ)

Deformación (ε)

Una varilla de aluminio debe resistir una fuerza aplicada de 45 000 libras. Paraasegurar que haya la seguridad suficiente, el esfuerzo máximo en la barra se limitaa 25 000 psi. La varilla debe tener cuando menos 150 pulgadas de longitud, perose debe deformar elásticamente cuando mucho 0,25 pulgada de longitud, pero sedebe deformar elásticamente cuando mucho 0,25 pulgadas al aplicarle la fuerza.

DISEÑO DE UNA VARILLA DE SUSPENSIÓN

Diseñe la varilla,considerandoque la sección transversales circular, así mismoindique si la longitud dela varilla calculadacumple con el requisito,en su defecto indiquequé se debe hacer.

0,0025


ensayo de tracción

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