ENSAYO DE TRACCIÓN

1. OBJETIVOS:a) determinar la tension de fluencia, tension de rotura y tension maxima de un material.b) obtener el valor del modulo de Young.c) reconocer el tipo de fractura que se produce en un acero de acuerdo a aspectos

fractograficos.d) obtener la resiliencia y tenacidad del material.

2.- FUNDAMENTO TEÓRICO El ensayo de tracción tiene por objetivo definir la resistencia elástica, resistencia última y plasticidad del material cuando se le somete a fuerzas uniaxiales. Se requiere una máquina, prensa hidráulica por lo general, capaz de:a) Alcanzar la fuerza suficiente para producir la fractura de la probeta.b) Controlar la velocidad de aumento de fuerzas.c) Registrar las fuerzas, F, que se aplican y los alargamientos, ΔL, que se observan en la

probeta.Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Máquina de Ensayo de Tracción.

La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga aplicada, las máquinas están conectadas a un ordenador que registra el desplazamiento y la carga leída. Si representamos la carga frente al desplazamiento obtendremos una curva como la mostrada en la figura 2.

Figura 2: Fuerza vs. alargamiento.

La probeta a ensayar se sujeta por sus extremos al cabezal móvil de la máquina de ensayos y a la célula de carga, respectivamente. Las mordazas se sujeción deben mantener firme a la muestra durante el ensayo, mientras se aplica la carga, impidiendo el deslizamiento. A su vez, no deben influir en el ensayo introduciendo tensiones que causen la rotura en los puntos de sujeción. Para que el ensayo se considere válido la rotura debe ocurrir dentro de la longitud calibrada, en la parte central de la probeta.A partir de las dimensiones iniciales de la probeta, se transforman la fuerza en tensión y el alargamiento en deformación, que nos permite caracterizar las propiedades mecánicas que se derivan de este ensayo.

De tal forma que la curva típica sería tensión vs. deformación, tal y como se muestra en la figura 3.

Figura 3: Curva típica de tracción hasta la fractura, punto F. La resistencia a la tracción TS está indicada en el punto M. Los insertos circulares representan la geometría de la

probeta deformada en varios puntos de la curva.

La interpretación de la curva nos lleva1.- En la curva podemos distinguir dos regiones:

- Zona elástica: La región a bajas deformaciones (hasta el punto P), donde se cumple la Ley de Hooke: σ = E ε (E = modulo elástico).

- Zona plástica: A partir del punto P. Se pierde el comportamiento lineal, el valor de tensión para el cual esta transición ocurre, es decir, se pasa de deformación elástica a plástica, es el Límite de Elasticidad, σy, del material.

2.- Después de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la deformación en los metales aumenta hasta un máximo, punto M, Resistencia a tracción (RT ó TS), y después disminuye hasta que finalmente se produce la fractura, punto F. La Resistencia a Tracción es la tensión en el máximo del diagrama tensión-deformación nominales. Esto corresponde a la máxima tensión que puede ser soportada por una estructura a tracción; si esta tensión es aplicada y mantenida, se producirá la rotura. Hasta llegar a este punto, toda la deformación es uniforme en la región estrecha de la probeta. Sin embargo, cuando se alcanza la tensión máxima, 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, y toda la deformación subsiguiente está confinada en la estricción. La fractura ocurre en la estricción. La tensión de fractura o bien de rotura corresponde a la tensión en la fractura.

2.1 DEFORMACIÓN ELÁSTICADefinimos elasticidad como la propiedad de un material en virtud de la cual las deformaciones causadas por la aplicación de una fuerza desaparecen cuando cesa la acción de la fuerza. "Un cuerpo completamente elástico se concibe como uno de los que recobra completamente su forma y dimensiones originales al retirarse la carga". ej: caso de un resorte al cual le aplicamos una fuerza. El grado con que una estructura se deforma depende de la magnitud de la tensión impuesta. Para muchos metales sometidos a esfuerzos de tracción pequeños, la tensión y la deformación son proporcionales según la relación

σ = Eε

Esta relación se conoce con el nombre de ley de Hooke, y la constante de proporcionalidad, E (MPa) es el módulo de elasticidad, o módulo de Young. Cuando se cumple que la deformación es proporcional a la tensión, la deformación se denomina deformación elástica; al representar la tensión en el eje de coordenadas en función de la deformación en el eje de abscisas se obtiene una relación lineal:

La pendiente de este segmento lineal corresponde al módulo de elasticidad E. Este módulo puede ser interpretado como la rigidez, o sea, la resistencia de un material a la deformación elástica. Cuanto mayor es el módulo, más rígido es el material, o sea, menor es la deformación elástica que se origina cuando se aplica una determinada tensión.

2.2. DEFORMACIÓN PLÁSTICADefinimos como plasticidad a aquella propiedad que permite al material soportar una deformación permanente sin fracturarse. Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada trata de deformarse en el sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de tracción, la fuerza se aplica en dirección del eje de ella y por eso se denomina axial, la probeta se alargara en dirección de su longitud y se encogerá en el sentido o plano perpendicular. Aunque el esfuerzo y la deformación ocurren simultáneamente en el ensayo, los dos conceptos son completamente distintos. Para la mayoría de los materiales metálicos, la deformación elástica únicamente persiste hasta deformaciones de alrededor de 0.005. A medida que el material se deforma más allá de este punto, la tensión deja de ser proporcional a la deformación y ocurre deformación plástica, la cual es permanente, es decir no recuperable. En la figura 4 se traza esquemáticamente el comportamiento tensióndeformación en la región plástica para un metal típico. La transición elastoplástica es gradual para la mayoría de los metales; se empieza a notar cierta curvatura al comienzo de la deformación plástica, la cual aumenta rápidamente al aumentar la carga.

Figura 4: (a) Curva de tracción típica de un metal que muestra las deformaciones elástica y plástica, el limite proporcional P y el

limite elástico σy, determinado como la tensión para una deformación plástica del 0.002. (b) Curva de tracción típica de

algunos aceros que presentan el fenómeno de la discontinuidad de la fluencia.

2.3 CALCULO DEL LÍMITE ELÁSTICOPara conocer el nivel de tensiones para el cual empieza la deformación elástica, o sea, cuando ocurre el fenómeno de fluencia, tenemos que tener en cuenta dos tipos de transición elastoplástica:a) Los metales que experimentan esta transición de forma gradual. El punto de fluencia

puede determinarse como la desviación inicial de la linealidad de la curva tensión-deformación (punto P en la figura 4ª). En tales casos, la posición de este punto no puede ser determinada con precisión, por este motivo se ha establecido una convención por la cual se traza una línea recta paralela a la línea recta paralela a la línea elástica del diagrama de la tensión-deformación desplazada por una determinada deformación, usualmente 0.002. La tensión correspondiente a la intersección de esta línea con el diagrama tensióndeformación cuando éste se curva se denomina límite elástico, σy.

b) Para aquellos materiales que tienen una región elástica no lineal, la utilización del método anterior no es posible, y la práctica usual es definir el límite elástico como la tensión necesaria para producir una determinada deformación plástica. Algunos aceros y otros materiales exhiben el tipo de diagrama tensióndeformación mostrado en la Figura 9b. La transición elastoplástica está muy bien definida y ocurre de forma abrupta y se denomina fenómeno de discontinuidad del punto de fluencia. En el límite de fluencia superior, la deformación plástica se inicia con una disminución de la tensión. La deformación prosigue bajo una tensión que fluctúa ligeramente alrededor de un valor constante, denominado punto de fluencia inferior. En los metales en que ocurre este fenómeno, el límite elástico se toma como el promedio de la tensión asociada con el límite de fluencia inferior, ya que está bien definido y es poco sensible al procedimiento seguido en el ensayo.

2.4 DUCTILIDADLa ductilidad es otra importante propiedad mecánica. Es una medida del grado de deformación plástica que puede ser soportada hasta la fractura. Un material que experimenta poca o ninguna deformación plástica se denomina frágil. La ductilidad puede expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo porcentual, o bien mediante el porcentaje de reducción de área. El alargamiento relativo porcentual a rotura, %EL, es el porcentaje de deformación plástica a rotura, o bien

donde lf es la longitud en el momento de la fractura y l0 es la longitud de prueba original.

Figura 5. Diagrama esfuerzo-deformación de materialesposible distinguir algunas características comunes a los diagramas de

varios grupos de materiales y dividirlos en dos amplias categorías: materiales dúctiles y materiales frágiles.

2.5 TENACIDADLa tenacidad de un material es un término mecánico que se utiliza en varios contextos; en sentido amplio, es una medida de la capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura. La geometría de la probeta así como la manera con que se aplica la carga son importantes en la determinación de la tenacidad.

.2.6. RESILIENCIA

Medida de la capacidad de un material de absorber energía elástica antes de la deformación plástica.

3. MATERIAL Y EQUIPOa) Materiales: - probeta para ensayo de traccion de acuredo a normab) Equipo: - Maquina de traccion AMSLER con capacidad de 10 Ton

4. PROCEDIMIENTO a) se prepara la probeta de traccion de acuerdo a las normas especificadas

Diametro NominalProb.

NormalizadaProbetas de medidas reducidas proporcionales a la

normalizada

12,5 mm 8,75mm 6,25mm 4,00mm 2,50mmG - Medida entre puntos 50,0 +/-0,10 35,0 +/-0,10 25,0 +/-0,10 16,0 +/-0,10 10,0 +/-0,10D - Diametro 12,5 +/-0,25 8,75 +/-0,18 6,25 +/-0,12 4,00 +/-0,08 2,50 +/-0,05R - Radio, min 10 6 5 4 2A - largo de la seccion

reducida60 min 45 min 32 min 20 min 16 min

b) se mide el area inicial y la longitud entre las marcas.c) se ubica la probeta en las mordazas del equipo de traccion y se cocloca un papel milimetrado

en el tambor de registro para obtener la grafica.d) se gira la perilla de control de velocidad de deformacion hasta un valor predeterminado y se

va tomando nota de la elongacion para diferentes valores de fuerza aplicada.e) la carga maxima lo indica el equipo cuando la aguja va a cambiar de orientacion y la carga

de rotura es cuando se rompe la probeta.f) luego se toma las nuevas medidas de longitud y de area final de rotura.

5. DATOS

Carga maxima = 4850 Kgf = 47.53 KNPunto de Fluencia = 3250 Kgf = 31.85 KNPunto de Ruptura = 4280 Kgf = 40.964 KN

F (KN) L (mm) σ ε Y9,8 62,5 0,6056 0,04166 14,536729,4 64 1,8170 0,0666 27,282234,3 66 2,1199 0,1000 21,199039,2 71 2,4227 0,1833 13,217144,1 77 2,7255 0,2833 9,6205

Donde:F = fuerza L = longitud deformadaσ = esfuerzoε = deformacionY = modulo de elasticidad (modulo de Young)

La grafica siguiente se obtuvo del cuadro de datos anterior:

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

ε

σ

6. CONCLUSIONES Llegamos a la conclusión a través del grafico de tracción de la existencia de dos regiones:

- Zona elástica: La región a bajas deformaciones donde se cumple la Ley de Hooke: σ = E ε (E = modulo elástico).

- Zona plástica: en donde se pierde el comportamiento lineal. Otra conclusión a la cual llegamos es que todos los materiales tienen diferentes diagramas

y por tanto diferentes límites de elasticidad esto debido a su estructura y a las imperfecciones del acero y de a cantidad de carbono que tengan.

7. BIBLIOGRAFIA• “Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. Callister, W.D. Ed. Reverté S.A.,

Barcelona

8. CUESTIONARIO

1) EXPLIQUE COMO AFECTA EL TRABAJO EN FRIO EN LA TENSION DE FLUENCIA Y DUCTILIDAD DE UN ACERO.

Un material se considera trabajado en frío si sus granos están en una condición distorsionada después de finalizada la deformación plástica. Todas las propiedades de un metal que dependa de la estructura reticular se ven afectadas por la deformación plástica o por el trabajo en frío. La resistencia a la tensión, la resistencia a la cadencia o fluencia y la dureza aumenta, mientras que la ductilidad, representada por el porcentaje de alargamiento, disminuye, aunque la resistencia y la dureza aumentan, la rapidez de cambio para cada una de la misma. La dureza suele aumentar en el primer 10% de reducción, en tanto que la resistencia a la tensión aumenta mas o menos linealmente. La resistencia a la cedencia aumenta mas rápidamente que la resistencia a la tensión, así que a mayor intensidad de deformación plástica, el intervalo entre las resistencias de cedencia y de tensión disminuyen.

2) EXPLIQUE LAS DIFERENCIAS ENTRE UN MATERIAL DUCTIL Y UNO FRAGIL SEGÚN EL TIPO DE ROTURA QUE PRESENTA Y SUS PROPIEDADES A LA TRACCION.

• A temperatura ambiente (aproximadamente 25oC), en general, todos los materiales metálicos, pueden deformarse cuando se aplican fuerzas sobre ellos y quedar deformados cuando éstas se quitan antes de que rompan. Los materiales que tienen este comportamiento son materiales dúctiles.

• A la temperatura ambiente, los materiales cerámicos se rompen cuando se los somete a fuerzas suficientes. En el caso particular de la tiza, si se unen las partes rotas se obtiene la tiza original. Los materiales que tienen este comportamiento, es decir, que se rompen sin tener previamente una deformación permanente, son materiales frágiles. A la temperatura ambiente, los materiales cerámicos son frágiles.

3) ¿QUE ES LA FLUENCIA? Y EN QUE TIPOS DE MATERIALES SE PRESENTA?. EXPLIQUE SU RESPUESTA.

La fluencia es particularmente el período de reacomodamiento, que en estos materiales está entre el período elástico (cumplimiento de la ley de Hooke) y el plástico o inelástico.

5) ¿CUALES SON LAS CARACTERISTICAS DE UNA FRACTURA TIPO CONO Y PORQUE SE PRESENTA MAYORMENTE EN LOS MATERIALES DUCTILES Y EN UNA MINIMA PROPORCION EN MATERIALES FRAGILES?. EXPLIQUE SU RESPUESTA.

Como resultado de la triaxialidad de tensiones producida por la estricción, se alcanza una situación en la que las pequeñas inclusiones no metálicas que contiene el material en la zona estringida o bien se fracturan o bien se decohesionan de la matriz metálica produciendo microhuecos que crecen gradualmente al ir progresando la deformación plástica, hasta coalescer. De este modo se genera una fisura interna plana en forma de disco

orientada normalmente a la dirección del esfuerzo aplicado. Finalmente, la rotura se completa por corte a lo largo de una superficie cónica orientada a unos 45º del eje de tracción, dando origen a la clásica fractura copa y cono

4) ¿QUÉ ES UN CONCENTRADOR DE TENSIONES, QUE TIPOS HAY, COMO INFLUYEN EN EL ENSAYO Y COMO SE SOLUCIONARIA ESTE PROBLEMA?. EXPLIQUE SU RESPUESTA.

Un concentrador de tensión, es una discontinuidad que altera la distribución de la tensión en inmediaciones de la discontinuidad. La concentración de tensiones es la zona donde se hallan los concentradores de tensiones. Normalmente se define el factor de concentración de tensiones, como el indicador del incremento de tensiones en la concentración de tensiones,