Reporte de La Práctica 2 Tensión (2016-2)

8/16/2019 Reporte de La Práctica 2 Tensión (2016-2)

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA

INGENIERÍA QUÍMICA METALÚRGICA

COMPORTAMIENTO MECÁNICO (1730)

Práctica 2: Ensayo de Tensión

Semestre 2016-2

Grupo 5


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Introducción

El ensayo de tensión es el más común para determinar propiedades mecánicas delos materiales, como resistencia, ductilidad, tenacidad, módulos elásticos ycapacidad de endurecimiento por deformación. Primero, requiere la preparación deun espécimen de prueba como se muestra en la figura 2.1a. En Estados Unidos elespécimen se prepara de acuerdo con las especificaciones de la ASTM. En casocontrario, se le dispone según los criterios de la organización correspondiente enotros países. Aunque la mayoría de los especímenes de ensayo de tensión sonsólidos y redondos, también pueden ser planos o tubulares.

Típicamente, el espécimen tiene una longitud original calibrada (lo) en general de50 mm (2 pulgadas), y una sección transversal (Ao) por lo común con un diámetrode 12.5 mm (0.5 pulgadas). El espécimen se monta entre las mordazas de unamáquina de ensayo de tensión. Estas máquinas están equipadas con diversosaccesorios y controles para probar el espécimen a diferentes temperaturas y

velocidades de deformación.Curvas esfuerzo-deformación

En las figuras 2.1a y 2.2 se muestra una secuencia típica de deformación delespécimen de ensayo de tensión. Cuando se aplica la carga por primera vez, elespécimen se alarga en proporción a ella; a este comportamiento se le llamaelástico lineal. Si se retira la carga, el espécimen recupera su longitud y formaoriginales de manera elástica, como una banda de hule cuando se estira y se suelta.

El esfuerzo ingenieril (esfuerzo nominal) se define como la relación de la cargaaplicada (P) al área transversal original (Ao) del espécimen:

Donde l es la longitud instantánea del espécimen. Al aumentar la carga, elespécimen (en cierto nivel de esfuerzo) empieza a sufrir una deformación

permanente (plástica). Más allá de ese nivel, el esfuerzo y la deformación ya no sonproporcionales, como lo eran en la región elástica. El esfuerzo con que ocurre estefenómeno se conoce como esfuerzo de fluencia (o esfuerzo de cedencia) (Y) delmaterial. En la tabla 2.2 se muestran este último y otras propiedades para diversosmateriales metálicos y no metálicos.


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La relación de esfuerzo a deformación en la región elástica es el módulo deelasticidad (E) o módulo de Young (llamado así en honor de T. Young, 1773-1829):

, =

Al valor absoluto de la relación de deformación lateral a la deformación longitudinalse le conoce como relación de Poisson (llamada así en honor de S. D. Poisson,1781-1840) y se identifica mediante el símbolo .

= 21+

= 2 − 1 Objetivo

Analizar el comportamiento de los materiales metálicos al ser sometidos a unesfuerzo de tensión uniaxial. Medir la resistencia a la fluencia o esfuerzo de fluencia de los materiales. Observar las posibles diferencias que presentan los diversos materiales en

cuanto a ductilidad y fragilidad.

Hipótesis

Respecto a que el aluminio tiene una estructura cristalina fcc, con 12 sistemas dedeslizamiento, y el acero tiene una estructura cristalina bcc, con 48 sistemas dedeslizamiento, el acero será más resistente que el aluminio, es decir, tendrá un

mayor Módulo de Elasticidad.Procedimiento

(1) Se maquinan probetas de aluminio planas o cilíndricas.

(2) Las probetas se marcan con el marcador de tinta permanente del centro haciaarriba y hacia abajo, se identifica el área de trabajo y los cuellos.

(3) Se colocan en la Maquina Universal junto con el extensómetro o sinextensómetro.

(4) Se realiza el ensayo y se obtienen los datos para la curva esfuerzo deformación.


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Resultados

Tabla 1. Valores de carga uniaxial y desplazamiento para la probeta de acero.

Carga (Ton) Desplazamiento (miliin)

Desplazamiento (m)

0.5 0.5 1.27E-71 0.8 2.032E-5

1.5 1.3 3.302E-52 1.5 3.81E-5

2.5 1.8 4.572E-53 2.1 5.334E-5

3.5 2.4 6.096E-54 2.7 6.858E-5

4.5 2.9 7.366E-55 3.2 8.128E-5

5.5 3.5 8.89E-5

6 3.7 9.398E-56.5 4 1.016E-47 4.6 1.1684E-4

7.5 5.9 1.4985E-4

Grafica 1. Carga vs. Desplazamiento para el acero.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04 1.40E-04 1.60E-04

C a r g a

( T o n )

Desplazamiento (m)

Carga vs. Desplazamiento Acero


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Gráfico 2. Determinación gráfica del Módulo de elasticidad para el acero.

Tabla 2. Valores de carga uniaxial y desplazamiento para la probeta de aluminio.

Carga (Ton) Desplazamiento (miliin)

Desplazamiento (m)

0.5 2.5 6.35E-51 3.2 8.128E-5

1.5 3.7 9.398E-52 4.1 1.0414E-4

2.5 4.6 1.1684E-4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

3.8 3.9 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

C a r g a

( T o n )

Log(Desplazamiento)

Módulo de Elasticidad Acero


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Grafica 3. Carga vs. Desplazamiento para el aluminio.

Gráfico 4. Determinación gráfica del Módulo de elasticidad para el aluminio.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

6.00E-05 7.00E-05 8.00E-05 9.00E-05 1.00E-04 1.10E-04 1.20E-04

C a r g a

( T o n )

Desplazamiento (m)

Carga vs. Desplazamiento Aluminio

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.9 3.95 4 4.05 4.1 4.15 4.2 4.25

C a r g a

( T o n )

Log(Desplazamiento)

Módulo de Elasticidad Al


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Tabla 3. Módulos de Elasticidad.

Metal E (Ton/m2) E (GPa)

Acero 10507389.44 103.08

Aluminio 7005116.642 68.72

Ejemplo para convertir de Ton/in2 a Ton/m2 para el acero.

1288 0.19

1 2.54

100 1 =10507389.44

Ejemplo para convertir de Ton/m2 a GPa para el acero.

10507389.44 (1000

1 ) (9.81

) (1 10 ) = 103.08

Tabla 4. Fracturas por tracción de cada material.

Aluminio Acero


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Análisis de resultados

Respecto a las gráficas, se puede observar, tanto en la 1 como la 3, que son lasgráficas donde se representa la relación entre la carga aplicada y el desplazamiento

en la longitud de la probeta de acero y aluminio respectivamente, uncomportamiento cercano a lo lineal. Pues se dejó de tomar datos una vez que seformó el cuello en las probetas, es decir, antes de que las probetas cedieranplásticamente. Lo anterior se hizo con el propósito de obtener sólo la propiedad enestado elástico, es decir el Módulo de Elasticidad o de Young. Así pues, en la gráfica1 y 3, se relaciona la carga con el desplazamiento y en las gráficas 2 y 4, para elacero y el aluminio, respectivamente, se grafica la carga en función del logaritmobase 10 del desplazamiento, con dos objetivos. El primero, tratar de linealizar lafunción. El segundo, obtener la función de la recta, y así la pendiente, la cual tendrálas misma unidades que la propiedad ubicada en el eje de las ordenadas, es decir

en toneladas. Así pues dicha pendiente, de las funciones de las gráficas 2 y 4, seránlos Módulos de Elasticidad de cada material, solamente faltando dividir entre el áreatransversal de la probeta (0.19 in2) para convertir la fuerza, que estaba enToneladas, a esfuerzo, reportado en Ton/m2 y en GPa para poderlo comparar conlos valores teóricos reportados en la introducción de este trabajo.

En cuanto a dichos valores teóricos, para el aluminio y sus aleaciones se reporta unMódulo de Elasticidad E, de entre 69 y 79 GPa. Mientras que para el acero, de entre190 y 200 GPa.

Se puede notar en la tabla 3, que el valor calculado del Módulo de Elasticidad para

la probeta de aluminio traccionada en el laboratorio, se acerca mucho al valor teóricoo reportado en la bibliografía. Mientras que en el caso del acero, hay una diferenciade al menos 90 GPa. ¿A qué se habrá debido estas diferencias en los valores?Pueden ser muchos factores. Al primero al que se puede referir, y en el cual hizomucho énfasis el profesor, es que la Maquina Universal de Ensayos no ha sidocalibrada en los últimos años de su uso. Seguramente existe una incertidumbre degran dimensión al medir las cargas aplicadas a la probeta. Si a lo anterior se le sumael método de medición de desplazamiento, se encontrará más incertidumbre almedir y además error humano, pues seguramente los alumnos se habránequivocado al leer los valores de dicho desplazamiento.

Lo que sí se cumplió es que, en proporción, el Módulo de Elasticidad del acero fueramás grande el del aluminio, es decir, que se demostrara con este ensayo mecánicoque el acero tiene una mayor resistencia que el aluminio.

El valor de la pendiente indica el valor del módulo de Young, es de esperarse queel modulo del acero fuera mayor que el de aluminio ya que necesito una carga mayorpara que se deformara a esto aunado el endurecimiento por deformación que se da


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durante el ensayo. El tipo de fractura vista en el acero era plana y con clivaje lo queindica una fractura frágil y menor ductilidad que el aluminio.

Conclusiones

Respecto a que el aluminio tiene una estructura cristalina fcc, con 12 sistemas de

deslizamiento, y el acero tiene una estructura cristalina bcc, con 48 sistemas dedeslizamiento, el acero es más resistente que el aluminio, es decir, tiene un mayorMódulo de Elasticidad.

Esto es debido a que como tiene un mayor número de sistemas de deslizamiento elacero, tiene mayor capacidad para que las dislocaciones generadas por ladeformación se muevan a través de dichas sistemas y resiste, a una mayor carga,mayores deformaciones.

Bibliografía

• Kalpakjian, Serope. Schmid, Steven R. Manufactura, ingeniería y tecnología.Quinta Edición. Pearson Educación. México: 2008. Impreso.

• Askeland, Donald R. Phulé, Pradeep P. Ciencia e Ingeniería de losMateriales. Cuarta Edición. International Thompson Editores, S. A. México:2004. Impreso.

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