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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA Facultad de ciencias e ingenierías físicas y formales
Escuela profesional: Ingeniería Industrial Curso: Ciencia e Ingeniería de Materiales Tema: Ensayo de dureza Brinell, Ensayo de dureza Vickers Apellidos y Nombres: Salas Yupanqui, Natalia Isabel Grupo: 05 Arequipa-Perú 2017
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INDICE Introducción ---------------------------------------------------------------------------------------------------4 Objetivos ------------------------------------------------------------------------------------------------------5 Recursos-------------------------------------------------------------------------------------------------------6 Marco Teórico ----------------------------------------------------------------------------------------------10 Procedimientos --------------------------------------------------------------------------------------------16 Toma de datos ---------------------------------------------------------------------------------------------16 Análisis de datos ---------------------------------------------------------------------------------------- 17 Cuestionario -----------------------------------------------------------------------------------------------20 Conclusiones ----------------------------------------------------------------------------------------------22 Recomendaciones ----------------------------------------------------------------------------------------23 Bibliografía -----------------------------------------------------------------------------------------------24 Apéndice---------------------------------------------------------------------------------------------------25
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Índice tablas e imágenes Foto N°1--------------------------------------------------------------------------------------------------------6 Foto N°2--------------------------------------------------------------------------------------------------------6 Foto N°3--------------------------------------------------------------------------------------------------------6 Foto N°4--------------------------------------------------------------------------------------------------------6 Foto N°5--------------------------------------------------------------------------------------------------------7 Foto N°6--------------------------------------------------------------------------------------------------------7 Foto N°7--------------------------------------------------------------------------------------------------------8 Foto N°8--------------------------------------------------------------------------------------------------------8 Foto N°9--------------------------------------------------------------------------------------------------------8 Foto N°10------------------------------------------------------------------------------------------------------9 Foto N°11------------------------------------------------------------------------------------------------------9 Grafica 1------------------------------------------------------------------------------------------------------19 Grafica 2------------------------------------------------------------------------------------------------------19
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INTRODUCCIÓN Esta práctica se llevó a cabo en el laboratorio de materiales de la Universidad Católica de Santa María en la Ciudad de Arequipa, en el cual realizamos el ensayo de tracción con diferentes tipos de materiales, como el Acero 1045, el Acero 1020, el bronce y el aluminio. En la mayoría de las ocasiones, los materiales metálicos se emplean con fines estructurales. Es decir, los componentes fabricados con metales deben responder de forma adecuada a determinadas situaciones mecánicas. La expresión de responder de forma adecuada puede entenderse en muy diferentes sentidos. Así, en muchos casos, significa no fallar en servicio, pero en otros como, por ejemplo, un fusible mecánico, puede significar lo contrario. En múltiples aplicaciones el factor que limita la vida útil de un componente no es su fractura, si no que puede ser cierto grado de desgaste o el desarrollo de una grieta de cierto tamaño. El abanico de posibilidades se abre aún más cuando se considera la naturaleza de las solicitaciones mecánicas que deben de ser soportadas. Éstas pueden ser constantes en el tiempo o variables, en este último caso, la velocidad de variación puede ser reducida o elevada, pueden actuar de forma localizada o distribuida en el material. Y, en este último caso, la distribución de esfuerzos puede ser uniforme o no.
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1. OBJETIVOS
1.1.
OBJETIVOS GENERALES
Determinar con claridad los conceptos de deformación, tracción, rigidez y ductilidad de los materiales.
1.2.
Realizar el ensayo de tracción de manera correcta y adecuada.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
El objetivo del ensayo de tracción es determinar aspectos importantes de la resistencia y alargamiento de materiales, que pueden servir para el control de calidad, las especificaciones de los materiales y el cálculo de piezas sometidas a esfuerzos.
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2. Recursos
Materiales. Probetas normalizadas de acero y bronce y aluminio. Foto N°1: Aluminio
Fuente: Foto en laboratorio Foto N°2: Bronce
Fuente: Goo le Foto N°3: Acero 1045
Fuente: Goo le Foto N°4: Acero 1020
Fuente: Goo le
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Equipos. Equipo de tracción. Foto N°5: E ui o de Tracción
Fuente: Foto en laboratorio
Equipo de protección personal. Mandil protector. Foto N°6: Mandil rotector
Fuente: Goo le
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Lentes de seguridad Foto N°7: Lentes de se uridad
Fuente: Goo le
Zapatos de seguridad. Foto N°8: Za atos de se uridad
Fuente: Goo le
Guantes de cuero. Foto N°9: Guantes de cuero
Fuente: Goo le
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Otros. Pluma de tinta liquida. Foto N°10: Corrector lí uido
Fuente: Goo le
Calibrador digital. Foto N°11: Calibrador di ital
Fuente: Foto en laboratorio
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3. Marco Teórico 3.1.
Ensayo de tensión (tracción) La resistencia a la tensión y la resistencia a la cedencia se determinan
probando una muestra del material en una máquina de ensayo de tensión como se muestra en la Figura 1. Una barra redonda o tira plana se coloca en las mordazas superior e inferior. La figura 2 muestra una fotografía de una probeta típica
a
tensión. Se
aplica
una
constantemente a la muestra, alargándola
fuerza
de
tensión
lenta
y
hasta que se rompe. Durante la
prueba se traza una gráfica que muestra la relación entre el esfuerzo en la muestra y la deformación.
Foto 12: Maquina de ensayo de Tracción.
Fuente: Goo le
11 Foto 13:Foto de probetas estándar para ensa os de tracción.
Fuente: Foto en laboratorio
En la figura 3 se muestra un diagrama típico esfuerzo deformación. Se puede ver que durante la primera fase del proceso de carga, la grafica de esfuerzo contra deformación es una línea recta, lo que indica que el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación. Después del punto A en el diagrama, la curva ya no es una línea recta; este punto se llama límite proporcional. A medida que se incrementa la carga de forma continua en la muestra, se llega a un punto llamado límite elástico, marcado B en la figura 3. Con esfuerzos por debajo de este punto, el material recobrara su tamaño y forma originales al desaparecer la carga. Con esfuerzos mayores, el material se deforma permanentemente. El punto de cedencia es el esfuerzo a partir del cual se produce un alargamiento notable de la muestra sin un incremento notable de la carga. El punto de cedencia se encuentra en C en la figura 3 aproximadamente a 36000 psi (248 MPa). Si se aplican cargas a un mayores, una vez que se
ha llegado al punto de cedencia, la curva sube de nuevo.
Después de que alcanza un pico, la curva cae un poco hasta que finalmente la muestra se rompe y se termina la grafica. El esfuerzo aparente más alto tomado del diagrama esfuerzo deformación se llama resistencia a la tensión.
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En la figura 3 la resistencia a la tensión sería aproximadamente de 53000 psi (365 Mpa).
Figura 3: Curva de esfuerzo deformación típica.
Muchos metales no exhiben un punto de cedencia bien definido como en la figura 3. Algunos ejemplos son aceros aleados de alta resistencia aluminio y titanio. No obstante estos materiales en realidad si ceden, en el sentido que se deforma una cantidad apreciable antes de que se fracturen. Para estos materiales un diagrama de esfuerzo deformación típico se vería como el mostrado en la figura 4; una curva uniforme sin ningún punto de cedencia pronunciado. Para materiales como estos, una línea como la MN trazada paralela a la parte de línea recta de la curva de ensayo define la resistencia a la cedencia en el punto N donde esta línea paralela corta la curva de ensayo, como se muestra en la figura 4.
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El punto M casi siempre se determina localizando el punto sobre el eje de deformación que representa una deformación de 0.002 in/in (pulg/pulg). Este punto también se conoce como punto de desviación de 0.2 %. El punto N donde la línea de desviación MN corta la curva de ensayo define la resistencia a la cedencia del material de cerca de 55000 psi en la figura 4. Figura 4: Curva de esfuerzo deformación típica para aluminio.
Rigidez: con frecuencia es necesario determinar una parte bajo carga para garantizar que la deformación excesiva no inutilice la parte. Esto ocurre con esfuerzos por debajo de la resistencia a la cedencia del material. La rigidez de un material es una función de su modulo de elasticidad, llamado también modulo de Young.
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El modulo de elasticidad, E, es una medida de la rigidez del material determinada por la pendiente de la parte de línea recta de la curva esfuerzo deformación.
Es
la
relación
del
cambio
del
esfuerzo
al
cambio
correspondiente de la deformación. Se calcula con la formula siguiente.
La figura 5 ilustra este concepto al mostrar las partes de línea recta de las curvas esfuerzo deformación del acero, titanio, aluminio y magnesio.
Figura 5: Modulo de elasticidad de diferentes metales.
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Ductibilidad: cuando se rompen los materiales su fractura puede clasificarse como dúctil o frágil. Un material dúctil se alargara y cederá antes de fracturarse y en la sección fracturada el área de la sección transversal se reducirá notablemente. A la inversa un material frágil se fracturara de repente con poco o ningún cambio en el área de la sección fracturada. Los materiales dúctiles se prefieren para piezas que soportan cargas repetidas o que se someten a carga de impacto, porque en general son más resistentes a la falla por fatiga y porque absorben mejor la energía del impacto.
Se considera que un metal es dúctil si su porcentaje de alargamiento es de más de 5 %. Un Material con un porcentaje de alargamiento menor a 5 % se considera como frágil. El porcentaje de alargamiento se calcula con la formula siguiente.
Laboratorio de Tecnología de los Materiales ensayo de dureza - Documents. (2017). Documents.tips. Retrieved 5 May 2017, from http://documents.tips/documents/laboratorio-de-tecnologia-de-los-materiales-ensayo-detraccion.html
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4. PROCEDIMIENTO
Observar atentamente las indicaciones del Jefe de Prácticas para la correcta aplicación del ensayo de tracción.
Preparación inicial de equipo de tracción.
Sujeción de probeta en mordazas de equipo.
Aplicación de la carga.
Registro de datos y realización de cálculos correspondientes.
Analizar y generar conclusiones.
5. TOMA DE DATOS Material
Acero
LT mm
Lo mm
(probeta)
Do mm
Ao mm2
Lf mm
Df
Af
(entre
(entre
mm
mm2
marcas)
marcas)
%E
%
max
Carga max.
Estricción
148.2
84.3
9.54
71.48
115
6.7
35.24
26.42
50.67
497.76
35.58
145.88
83.23
9.54
71.48
100.96
7.1
39.59
21.3
4.61
682.43
48.78
Bronce
147.5
48
9.5
70.85
156.5
9.16
65.89
6.1
7.0
410,73
29.16
Aluminio
148
89
9.36
68.77
98
6.18
29.98
10.11
56.39
224.23
15.42
1020 Acero 1045
El bronce trabaja con la longitud total debido a que se rompe fuera de las marcas
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6. ANÁLISIS DE DATOS Para calcular la Elongación utilizamos la siguiente fórmula
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Para calcular el alargamiento utilizamos la siguiente fórmula
Para calcular el alargamiento utilizamos la siguiente fórmula
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Obtuvimos las siguientes gráficas Grafica 1
Esfuerzo - Deformación 600
Aluminio
Acero 1020
500 400
Esfuerzo
300
Bronce
Esfuerzo
200
Esfuerzo
100 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Grafica 2
Esfuerzo -Deformación Acero 1045 800 700 600 500 400
Esfuerzo
300 200 100 0 0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
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CUESTIONARIO 1. ¿Qué comportamiento muestra un material en el diagrama esfuerzo deformación, por debajo del límite de elasticidad?
Representa la energía disipada durante el ensayo, es decir la cantidad de energía que la probeta alcanzó a resistir. A mayor energía, el material es más
tenaz .
2. ¿Qué comportamiento muestra un material en el diagrama esfuerzo deformación, por encima del punto de cedencia?
En esta región el material se comporta elásticamente por lo que cuando se retira la fuerza, la deformación que haya alcanzado el material toma el valor de cero, su forma original antes de iniciar la prueba.
3. Describir un ensayo de tracción a la vista de un diagrama tensión alargamiento.
4. ¿Cómo se calcula la resistencia a la tracción de un material, partiendo del resultado del ensayo de tracción?
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5. ¿Cuáles son la resistencia máxima, la resistencia a la cedencia y el porcentaje de alargamiento del acero AISI 1040 laminado en caliente? ¿Es un material dúctil o frágil?
R: Su = 90 KSI / 621 MPa; Sy = 60 KSI / 414 MPa,
% Alargamiento 25%
Se trata de un material dúctil por que su alargamiento es mayor del 5%.
6. ¿Cuál tiene mayor ductibilidad el acero AISI 1040 laminado en caliente o el acero AISI 1020 laminado en caliente?
El Acero AISI 1020, por que tiene mayor % de alargamiento. 36% vs 25%
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7. CONCLUSIONES Mediante el ensayo de compresión hemos conseguido caracterizar y diferenciar las propiedades mecánicas de algunos materiales distintos frente a cargas de tracción concluyendo que entre las probetas analizada de aluminio, bronce y acero 1020, el acero 1020 es el más elástico, al aluminio tiene más estricción, el que tiene mayor alargamiento es el acero 1045 y también el que carga más es el 1045
Observar el efecto del tratamiento térmico (temple) sobre las propiedades mecánicas de los metales; incremento de la dureza y resistencia así como perdida de ductilidad (material más frágil y rígido)
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8. RECOMENDACIONES
Se recomienda para el ensayo de tracción tener todos los equipos de protección
Se recomienda lijar de manera prolija las probetas
Se recomienda tener precisión al marcar las probetas que se meterán a la maquina de tración
Se recomienda tomar medidas lo más exacto posible para así poder tener un dato más exacto
Se recomienda utilización de lentes de seguridad en el momento de la tracción por si llega a saltar algúna pieza
Se recomienda dejar toda la sala limpia para no dejar ningún desperdicio o residuo de lo trabajado
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9. BIBLIOGRAFÍA
SENATI ZONAL AREQUIPA - PUNO, “Capacitación Practica para Ingenieros”. Arequipa, UCSM, 2001.
Diezmar Falk, Hans-Klaus Gorkel; Franz Lernet,Bernd Schlossorsch “Metalotecnia Fundamental”, Editorial Reverté S.A, 1986.
REFERENCIAS WEB
(2012). Retrieved 3 May 2016, from http://www.tq.edu.ar/grp0128/index.htm
Montoya, J. (2007). Apuntes. Retrieved 6 May 2016, from http://www.apuntes.rincondelvago.com/resistenciadelosmateriales
Janko, D. (2015). Dureza Vickers. Omega. Retrieved 2 May 2016, from http://www.omega.ilce.edu.mx
https://es.slideshare.net/DavidBuenoSaenz/ensayo-de-traccin-15486816
https://es.scribd.com/doc/111994530/Ensayo-de-Traccion
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10. APENDICE EJERCICIOS DE ENSAYO DE TRACCIÓN. 1. Calcule la tensión en el sistema de unidades SI sobre un cilindro de 2.40 cm de diámetro que está sometido a una carga de 1450 Kg. 1450 192.31N 2(3.14)(1.2)
2. Calcule la tensión en el sistema de unidades SI sobre una barra de 13 cm de longitud que tiene una sección de 4.00 mm x 8.50 mm y que está sometida a una carga de 800 Kg. 800 180.99N 13x0.4x0.85
3. Calcule la tensión en el sistema de unidades SI sobre una barra de20 cm de longitud que tiene una sección de 3.50 mm x 5.00 mm y que está sometida a una carga de 1200 Kg. 1200 342.857N 20x0.35x0.5
4. Calcule la tensión en el sistema de unidades común en Estados Unidos aplicada sobre una barra de hierro de 0.320 pulg de diámetro sometida a una fuerza de 1100 lb. 1100 547.095lb/pulg 2(3.14)(0.32)
5. Una muestra de una lamina de latón tiene una sección de 0.500 pulg x 0.015 pulg y una longitud de calibración de 2.00 pulg. de largo. Calcule la deformación que se produce durante un ensayo si la distancia entre las marcas es de 2.45 pulg. de largo después de la prueba.
V = S0 x L0 = S x L, de donde L = 24,69 cm 6. L = L0 (1 + ), de donde = L / L0 - 1 = 0.2345 = ln (1 + e) = ln (1 + 0.2345) = 0.211
v
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7. Una barra de 0.505 pulg. de diámetro de una aleación de aluminio es llevada hasta fractura en un ensayo de tensión. Si el diámetro final de la barra en la superficie de fractura es de 0.435 pulg. ¿Cuál es el porcentaje de reducción del área de la muestra debida al ensayo?
8. Una barra de aluminio de 0.5 pulgadas de diámetro está sometida a una fuerza de 2500 libras. Calcule la tensión convencional que actúa en la barra en Psi. 2500
795.77lb/pulg
2(3.14)(0.5)
9. Una barra de 1.25 cm. de diámetro está sujeta a un peso de 2500 kg. Calcule la tensión convencional que actúa en la barra en megapascales (Mpa)
10. Se obtuvieron los siguientes datos de tensión-deformación para un acero al carbono de 0.2 %de C. a) Dibuje la curva de tensión-deformación. b) Determine la máxima resistencia a la tensión de la aleación. c) Determine el porcentaje de elongación al fracturar.
Tensión en Ingeniería, Ksi
Deformación en Ingeniería, pulg/pulg
Tensión en Ingeniería, Ksi
Deformación en Ingeniería, pulg/pulg
0
0
76
0.08
30
0.001
75
0.10
55
0.002
73
0.12
60
0.005
69
0.14
68
0.01
65
0.16
72
0.02
56
0.18
74
0.04
51
75
0.06
(fractura)0.19
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Deformación en Ingeniería, pulg/pulg 0.07 0.06 0.05 0.04 Deformación en Ingeniería, pulg/pulg
0.03 0.02 0.01 0 0
20
40
60
80
0.19 0.001
19000% 11. Represente los datos del Problema 9 de la tensión (MPa) respecto a la deformación (mm/mm) y determine la resistencia máxima del acero.
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12. Los siguientes datos de tensión-deformación se obtuvieron en el comienzo de un ensayo de tensión para un acero al carbono de 0.2% de C. a) Dibuje la curva de tensióndeformación para estos datos. b) Determine el limite elástico al 0.2% (esfuerzo de fluencia convencional al 0.2% ) para este acero. C) Determine el módulo elástico para este acero. (observe que estos datos sólo son parte inicial de la curva tensión – deformación.)
Tensión en Ingeniería, Ksi
Deformación en Ingeniería, pulg/pulg
Tensión en Ingeniería, Ksi
Deformación en Ingeniería, pulg/pulg
0
0
60
0.0035
15
0.0005
66
0.0040
30
0.0010
70
0.0060
40
0.0015
72
0.0080
50
0.0020
Deformación en Ingeniería, pulg/pulg 0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 Deformación en Ingeniería, pulg/pulg
0.004 0.003 0.002 0.001 0 0
20
40
60
80
72
0.0080
E=9000
