UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
CURSO
TECNOLOGÍA : CONSTRUCCIÓN
PRÁCTICA
:
ENSAYO DE RESISTENCIA A LA TRACCIÓN DEL A C E R O.
DOCENTE
:
INGE INGE NIER NIER O PAJA RE S HURTEAG HURTEAG A, EDINSON EDINSON
ALUMNOS
:
CICLO
:
DE
LOS
MATERIALES
DE LA C R UZ J ULCA, BE NITO NITO DÍAZ TAR R ILLO, ALE X MOR A L E S MA NTIL NT IL L A , J OR G E A L B E R TO NEYRA CAS TAÑEDA, TAÑEDA, PIER PI ER O PE R EZ TUCT TUCTO, O, R ONALD ONALD VÁS QUEZ QUEZ FER NÁNDEZ, NÁNDEZ, ELMER VIDAUR VIDAUR RE LUYO, LUYO, J AVIER
2017-I Cajamarca, Julio del 2017
DE
I.
INTRODUCCIÓN El ensayo a tracción es la forma básica de obtener información sobre el comportamiento mecánico de los materiales. Mediante una máquina de ensayos se deforma una muestra o probeta del material a estudiar, aplicando la fuerza uniaxialmente en el sentido del eje de la muestra. A medida que se va deformando la muestra, se va registrando la fuerza (carga), llegando generalmente hasta la fractura de la pieza. Así pues, el resultado inmediato es una curva de carga frente a alargamiento, que transformados en tensión y deformación, en función de la geometría de la probeta ensayada, aportan una información más general. El ACERO, como material indispensable de refuerzo en las construcciones, es una aleación de hierro y carbono, en proporciones variables, proporciones variables, y y pueden llegar hasta el 2% de carbono, con el fin de mejorar algunas de sus propiedades, puede contener también otros elementos. Una de sus características es admitir el temple, con lo que aumenta su dureza y su flexibilidad. En las décadas recientes, los ingenieros y arquitectos han estado pidiendo continuamente aceros cada vez más sofisticados, con propiedades de resistencia a la corrosión, la corrosión, aceros más soldables y otros requisitos. La investigación llevada a cabo por la la industria industria del acero durante este periodo ha conducido a la obtención de varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchos de los requisitos y existe ahora una amplia variedad cubierta gracias a las normas las normas y especificaciones actuales.
II.
OBJETIVOS
Ilustrar, mediante la experiencia, las propiedades mecánicas del acero acero que se derivan a partir de un ensayo a tracción. Definir la resistencia elástica y resistencia última de la probeta de acero.
III. MARCO TEÓRICO 1. EL ACERO ESTRUCTURAL: El acero está compuesto por hierro puro + metaloides (C, S, P, Si) + metales variables (Mn, Cr, Ni,…). Estos últimos son los que le dan sus grandes propiedades. La cantidad de carbono debe ser superior al 0.03%, pero menor de 2%. Las fundiciones son aleaciones hierro – carbono, en las que la proporción de carbono es superior al 2%.
2. PROCESO DE FABRICACIÓN: A partir del mineral hierro (formado por óxidos de Fe y ganga) se obtiene en los altos hornos de arrabio (hierro con un 4% aproximadamente de carbono). El arrabio es duro pero muy frágil (interesa más un material dúctil, que “avisa” de su estado tensional), para reducir el % de carbono sin per der resistencia se afina el arrabio en convertidores (se quema el carbono sobrante), obteniéndose el acero en bruto con un % de carbono en torno al 2%. Posteriormente se vierte en lingoteras para su enfriamiento y posterior acabado. El proceso de acabado puede ser por: forja, trefilado o laminación; para ello se calienta previamente (o bien viene directamente del convertidor mediante un proceso de colada continua, con lo que se evitan las lingoteras, el desmoldeado y posterior calentamiento). Tras este proceso se pueden aplicar tratamientos térmicos para alcanzar las propiedades mecánicas y químicas deseadas. El acero más empleado en la construcción es el laminado. El laminado consiste en transformar el acero en bruto a alta temperatura en elementos de formas dadas usados en la construcción, para ello se usan laminadoras (máquinas y herramientas de alta potencia) esencialmente formadas por cilindros paralelos. Las laminadoras se disponen en trenes de laminación, transformando el acero en forma progresiva con un cierto número de pasadas.
Este proceso mejora sensiblemente las cualidades del acero (elimina imperfecciones del lingote, oquedades…) alargando los cristales de acero en la dirección de la laminación. El acero resultante es bastante homogéneo, sin embargo tiene unas propiedades mecánicas inferiores en la dirección transversal a la laminación. Sus cualidades de resistencia a compresión, tracción y cizalladura son muy altas, con buenas cualidades de elasticidad y dilatación. Otros aceros:
Moldeado: se solía usar para elementos de formas complejas, difíciles de obtener con uniones remachadas o atornilladas. La aparición de la soldadura ha reducido mucho su uso. Hoy se usa en piezas muy cargadas y con posibilidad de giro o deslizamiento sobre otras (aparatos de apoyo). Presenta problemas de falta de homogeneidad, debiéndose radiografiar o comprobar por ultrasonidos las piezas. Tiene mayor resistencia a tracción y flexión que la fundición pero mucho menos que el acero laminado.
Forjado: se trabaja sobre el acero en caliente por aplastamiento con un martillo pilón. Su uso se limita también a zonas especiales con esfuerzos altos y complejos (apoyos). Presenta buena homogeneidad y resistencia.
Trefilado: tienen alta resistencia usan en cables de construcción y hormigón pretensado.
. Se
Figura 01: Fases principales de la fabricación de laminados.
3. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DEL ACERO: Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes de su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:
Su densidad media es de 7850 / . En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir. El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1510°C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1375°C, y en general la temperatura necesaria para la
fusión aumentada a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes. Por otra parte el acero rápido funde a 1650°C. Su punto de fundición es de alrededor de 3000°C. Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas. Es un material dúctil. Con él obtienen hilos delgados llamados alambres, con los cuales se pueden formar los cables torones. Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño. Permite una buena mecanización en máquinas y herramientas antes de recibir un tratamiento térmico. Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria y se deforman al sobrepasar su límite elástico. La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales está el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que evite fracturas. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, o aceros rápidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell y Rockwell, entre otros. Se puede soldar con facilidad. La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Existen aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción.
4. IMPUREZAS EN EL ACERO: Se denomina impurezas a todos los elementos indeseables en la composición de los aceros. Se encuentran en los aceros y también en las fundi ciones como consecuencia de que están presentes en los minerales o los combustibles. Se procura eliminarlas o reducir su contenido debido a que son perjudiciales para las propiedades de la aleación. En los casos en los que eliminarlas resulte imposible o sea demasiado costoso, se admite su presencia en cantidades mínimas.
Azufre: límite máximo aproximado es de 0.04%. El azufre con el hierro forma sulfuro, el que, conjuntamente con la austenita, da lugar a un producto cuyo punto de fusión es bajo y que, por lo tanto, aparece en bordes de grano. Cuando los lingotes de acero colados deben ser laminados en caliente, dicho producto se encuentra en estado líquido, lo que provoca el desgranamiento del material. Fósforo: límite máximo aproximado de 0.04%. El fósforo resulta perjudicial, ya sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye la ductilidad, ya sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye la ductilidad, como también por formar fosfuro de hierro. El fosfuro de hierro, junto con la sustenita y la cementita, forma un producto denominado esteadita, el que es sumamente frágil y posee punto de fusión relativamente bajo, por lo cual aparece en bordes de grano, transmitiéndole al material su fragilidad.
5. DESGASTE: Es la degradación física (pérdida de material, aparición de grietas, deformación plástica, cambios estructurales como transformación de fase o re cristalización, fenómenos de corrosión, etc.) debido al movimiento entre la superficie de un material sólido y uno o varios elementos de contacto.
6. TRATAMIENTOS DEL ACERO: Debido a la facilidad que tiene el acero para oxidarse cuando entra en contacto con la atmósfera o con el agua, es necesario y conveniente proteger la superficie de los componentes de acero para protegerles de la oxidación y corrosión. Muchos tratamientos superficiales están muy relacionados con aspectos embellecedores y decorativos de los metales. Los tratamientos superficiales más usados son los siguientes:
Cincado: tratamiento superficial antioxidante por proceso electrolítico o mecánico al que se somete a diferentes componentes metálicos. Cromado: recubrimiento superficial para proteger de la oxidación y embellecer. Galvanizado: tratamiento superficial que se da a la chapa de acero. Niquelado: baño de niquel con el que se protege un metal de la oxidación. Pavonado: tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de acero, como la tornillería.
Pintura: usado especialmente en estructuras, automóviles, barcos, etc.
7. MECANIZADO DEL ACERO: El acero que se utiliza para la construcción de estructuras metálicas, se obtiene a través de la laminación de acero en una serie de perfiles normalizados de acuerdo a las Normas Técnicas de Edificación. El proceso de laminado consiste en calentar previamente los lingotes de acero fundido a una temperatura que permita la deformación del lingote por un proceso de estiramiento y desbaste que se produce en una cadena de cilindros a presión llamado tren de laminación. Estos cilindros van formando el perfil deseado hasta conseguir las medidas que se requieran. Las dimensiones del acero que se consigue no tienen tolerancias muy ajustadas y por eso muchas veces a los productos laminados hay que someterlos a fases de mecanización para ajustar su tolerancia.
Figura 02: Proceso de laminado del acero.
8. ACERO CORRUGADO: El acero corrugado es una clase de acero laminado usado especialmente en construcción, para armar hormigón armado, y cimentaciones de obra civil y pública, se trata de barras de acero que presentan resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón está dotado de una gran ductilidad, la cual permite que a la hora de cortar y doblar no sufra daños, y tiene una gran soldabilidad, todo ello para que estas operaciones resulten más seguras y con un menor gasto energético.
Figura 03: Acero corrugado.
Las barras de producto corrugado tienen unas características técnicas que deben cumplir, para asegurar el cálculo correspondiente de las estructuras de hormigón armado. Entre las características técnicas destacan las siguientes, todas ellas se determinan mediante el ensayo de tracción:
Límite elástico Re (Mpa) Carga unitaria de rotura o resistencia a la tracción Rm (MPa) Alargamiento de rotura A5 (%) Alargamiento bajo carga máxima Agt (%) Relación entre cargas Rm/Re
9. APLICACIONES: El acero en sus distintas clases está presente de forma abrumadora en nuestra vida cotidiana en forma de herramientas, utensilios, equipos mecánicos y formando parte de electrodomésticos y maquinaria en general así como en las estructuras de las viviendas que habitamos y en la gran mayoría de los edificios modernos. En este contexto existe la versión moderna de perfiles de acero denominada Metalcón. Los fabricantes de medios de transporte de mercancías y los de maquinaria agrícola son grandes consumidores de acero. También son grandes consumidores de acero las actividades constructoras de índole ferroviario desde la construcción de infraestructuras viarias así como la fabricación de todo tipo de material rodante.
10. APLICACIONES DEL ACERO ESTRUCTURAL: El acero estructural, según su forma, se clasifica en:
PERFILES ESTRUCTURALES: los perfiles estructurales son piezas de acero laminado cuya sección transversal puede ser en forma de I, H, T, canal o ángulo. BARRAS: las barras de acero estructural son piezas de acero laminado, cuya sección transversal puede ser circular, hexagonal o cuadrada en todos los tamaños. PLANCHAS: las planchas de acero estructural son productos planos de acero laminado en caliente con anchos de 203mm y 219mm, y espesores mayores de 5.8 mm y mayores de 4.5mm, respectivamente.
11. ACERO DE ARMADURAS: Para estructuras de concreto se utilizan barras corrugadas, con diámetros que oscilan entre 6mm y los 40mm, aunque lo común en una armadura de hormigón es que difícilmente se superen los 32mm. Además el acero de refuerzo se utiliza en las mallas electro soldadas constituidas por alambres de diámetros entre 4mm a 12mm.
Figura 04: Acero para armaduras.
Figura 05: Normas técnicas de fabricación para el acero corrugado utilizado para refuerzo de concreto.
12. PERFILES: Para su uso en construcción, el acero se distribuye en perfiles metálicos, siendo éstos de diferentes características según su forma y dimensiones y debiéndose usar específicamente para una función concreta, ya sean vigas o pilares. Un tipo de acero laminado que se utiliza para las estructuras de concreto armado son barras de diferentes diámetros con unos resaltes, que se llama acero corrugado.
Figura 06: Perfiles del acero corrugado.
VIGAS H: producto de acero laminado que se crea en caliente, cuya sección tiene la forma de H. se usa en la fabricación de elementos estructurales como vigas, pilares, cimbras metálicas, etc., sometidas predominantemente a flexión o compresión y torsión despreciable. CANALES U: acero realizado en caliente mediante láminas, cuya sección tiene la forma de U. son conocidas como perfil UPN. Sus usos incluyen la fabricación de estructuras metálicas como vigas, viguetas, carrocerías, cerchas, canales, etc. PERFILES T: se usa para estructuras metálicas de construcción civil, torres de transmisión, carpintería metálica.
Figura 07: Dimensiones de los perfiles de acero corrugado.
13. COMPARACIÓN ENTRE CONCRETO Y ACERO ESTRUCTURAL: CONCRETO
ACERO
Material monolítico, producido con materiales de cantera
Material producido industrialmente, bajo explotación industrializada en minas
Se fabrica a pie de obra
Se obtienen perfiles normalizadas
El material es un producto de la obra
El material es un suministro para la obra
Mediante moldes adopta la forma que se desee
Se conforma un esqueleto o entramado, la forma para ser eficiente debe ser regular, las uniones revisten gran importancia
La tipología presenta su propia identidad en color, textura y apariencia
Exige acabados los cuales se logran mediante recubrimientos o con forros de materiales adicionales
El control de calidad se debe hacer en la obra, depende no solo de la calidad del material, sino de la habilidad de los operarios y otras circunstancias del entorno
El control de calidad de la materia prima se efectúa en fábrica o en taller, la certificación de origen satisface los requerimientos del interventor
Es posible prefabricar, aunque esto se considere una técnica especializada, demanda equipos importantes debido al peso de la piezas, las uniones son muy delicadas
Siempre es prefabricada el transporta limite el peso y la dimensión de los elementos, demanda técnicas especializadas de montaje, el equipo es normal
El material es más ineficiente estructuralmente, al ser más débil por unidad de peso
La alta eficiencia estructural hace que las piezas, sean muy resistentes con muy bajo peso propio
Es casi invulnerable al efecto del medio ambiente ordinario
El material es muy susceptible al efecto del medio ambiente
La mano de obra siendo calificada es de común obtención
La mano de obra resulta especializada, por lo general debe ser subcontratada
El límite de la resistencia puede estar entre 200 y 400 Kg/cm2
El límite de resistencia puede estar entre 2000 y 6000 Kg/cm2
La conducta en tracción es muy deficiente, debe usarse acero de refuerzo para mejorarla
La capacidad bruta en todos los estados de tención es equivalente, debe controlarse la esbeltez para la compresión
No influye por separado la resistencia a las uniones
La resistencia en las uniones afecta la capacidad general
Por lo general la estructura no es sensible a la deformación, la necesidad de arriostramiento es menor
La estructura es sensible a la deformación, exige altos niveles de arriostramiento
Una vez que se presentan agrietamientos la situación de falla es inevitable, el retirar la carga no hace desaparecer las grietas
La conducta es más elástica, si se reduce carga se recuperan las propiedades originales con mayor capacidad
La conducta general es más desconocida y su comportamiento es más aleatorio
Se conoce mejor la conducta y es más controlable su comportamiento
Hay más profesionales familiarizados con el reglamento y el comportamiento del material
El manejo del material es más delicado, es materia de especialistas
Las técnicas de análisis permiten usar la capacidad de fluencia del material
Aun no se sabe utilizar adecuadamente la técnica del diseño plástico o el diseño por estados limite
El costo del material es el resultado de una serie de insumos disponibles en obra
El costo del material es producto de un mercado externo, controlado por la oferta y la demanda
El valor es controlable mediante operaciones de planeación u organización
El valor es un factor no controlable por medio de planeación u organización
En ocasiones la economía no es determinante, pues en el material se busca el carácter ornamental y no monumental
Por lo general la economía es determinante ya que el carácter de las obras es utilitario
En el material se entiende la economía se obtiene con calidad de diseño
A menudo se identifica economía con bajo costo, por desconocimiento de los recursos, este se obtiene con deterioro en al calidad del producto
La disponibilidad generalizada de materia prima, hace que el material se pueda utilizar en cualquier arte del país
El material puede resultar prohibitivo en algunas regiones del país
El costo inicial suele ser el único factor del costo
A menudo el mantenimiento es determinante en el costo
La búsqueda de economía en los cálculos suele ser causa de sobrecosto en la obra
La economía en los cálculos puede llevar a fracasos en al obra
Un diseño armónico puede producir fácilmente un resultado económico
Un diseño lógico puede producir fácilmente un resultado económico
Cuando se combinan los dos materiales es posible que se aumente la exigencia debido a las condiciones de soporte de la estructura de acero
IV.
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: 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, ∆L, que se observan en la probeta.
Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la Figura:
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:
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: 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.
1.- 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.
RESULTADOS:
Antes de realizar el ensayo:
Diámetro: 0.503 cm
=
(0.503 cm) 4
= 0.1987 = 19.87 = 9.83 = 98.3
Después del ensayo:
= 12.11 =121.10 mm
Esfuerzo vs Deformación unitaria 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
Fy=720 kg/mm2 Fu=1030 kg/mm2
El tiempo de duración del ensayo fue de 2’10”
-
Determinamos la densidad del acero:
W1=
175.7 g
pedazo grande
W2=
157.8 g
pedazo pequeño
W=
333.5 g
peso total
V0=
700 cm3
volumen del agua
Vf=
741 cm3
vol agua+acero
V=
41 cm3
volumen acero
La densidad del acero será: Densidad=w/v= 333.5 g/41 cm3=8.13 g/cm3
0.5
0.6
V.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
Se determinó la resistencia elástica Fy=720 kg/mm2, donde está ubicado el punto de fluencia del acero, a partir del cual la deformación aumenta sin que varíe la tensión aplicada. Se determinó la resistencia la resistencia última de la probeta de acero que viene a ser la resistencia a la tracción Fu=1030 kg/mm2, valor máximo que alcanza la deformación plástica para luego disminuir y producirse la rotura de la probeta de acero. Se recomienda realizar el ensayo de resistencia a la tracción del acero para trabajos de soldadura, de estructuras de acero, etc.
