ENSAYO DE TENSIÓN PROTOCOLO Curso de Materiales

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1 ENSAYO DE TENSIÓN PROTOCOLO Curso de Materiales EDICION FACULTAD INGENIERIA INDUSTRIAL LABORATORIO DE PRODUCCIÓN

2 TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN... 3 OBJETIVOS... 3 SEGURIDAD PARA LA PRÁCTICA ASIGNACIÓN DE TIEMPOS Conocimiento de la prensa hidráulica Práctica MARCO TEÓRICO Generalidades del ensayo de tensión Comportamiento de los distintos materiales frente al ensayo La ductilidad Esfuerzo y deformación ingenieriles Esfuerzo y deformación real Diagramas esfuerzo deformación Punto de Cedencia Módulo de Elasticidad Encuellamiento Esfuerzo-deformación para materiales especiales CARACTERÍSTICAS Y ESPECIFICACIONES DE LA PROBETA Probetas proporcionales Probetas maquinadas Probetas no maquinadas Marcación de la longitud inicial (Lo) MÁQUINA UTILIZADA EN LA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA Base Fija Superior e Inferior Mesa Móvil Superior Gato Hidráulico Calibrador Vernier Indicador de Presión Mordazas de Tensión CÁLCULOS Y FORMULAS UTILIZADAS EN LA PRÁCTICA Cálculo de la fuerza de tensión (F) Cálculo de la ductilidad Porcentaje de Elongación Porcentaje de reducción de área PASOS PARA LA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA DE TENSIÓN BIBLIOGRAFÍA

3 INTRODUCCIÓN En el proceso de formación de un Ingeniero Industrial, es muy importante el conocimiento de la Ciencia de los Materiales, ya que esta proporciona las herramientas necesarias para comprender el comportamiento general de cualquier material, lo cual es necesario a la hora de desarrollar adecuadamente diseños de componentes, sistemas y procesos que sean confiables y económicos. Este laboratorio es realizado con el fin de conocer ciertas propiedades mecánicas, como la ductilidad, rigidez y resistencia, de varios materiales al ser sometidos a una fuerza de tensión ejercida gradualmente por una prensa. De igual forma, también tiene por objetivo desarrollar habilidades para manejar los instrumentos requeridos en la práctica. Para la correcta realización de esta prueba, se recomienda que los estudiantes hayan comprendido previamente el contenido de esta, consignado en el Protocolo. OBJETIVOS Conocer la importancia de la prueba de tensión. Conocer y manejar cada parte de la prensa hidráulica correctamente. Leer e interpretar las unidades manejadas por la carátula del manómetro y en el calibrador que indica el desplazamiento de la prensa. Conocer las características y especificaciones que se deben tener en los materiales a utilizar como las probetas de acero. Saber manejar adecuadamente las mordazas que sujetan la probeta, y así mismo garantizar que la fuerza sea efectuada en el eje central de la máquina. Conocer las especificaciones de la Norma Técnica Colombiana 2 sobre Prueba de Tensión. Estar en capacidad de interpretar los datos arrojados por la práctica para la prueba de tensión. SEGURIDAD PARA LA PRÁCTICA Para evitar lesiones y/o fallas en la máquina (prensa hidráulica) e implementos de apoyo, causadas durante la realización de la práctica, es necesario que los estudiantes al momento de realizarla tengan en cuenta: Es sumamente importante portar los implementos de seguridad necesarios: guantes de cuero (Baqueta) y gafas de seguridad. Tener un buen conocimiento sobre la práctica, y todo lo relacionado con esta, como el manejo que se debe tener con la prensa hidráulica, probetas, utilización de las mordazas de la prensa, manejo de materiales y utilización de estos. Seguir precisamente las instrucciones de los monitores, antes de la realización de la práctica. Al terminar de accionar el gato retirar inmediatamente la palanca que lo acciona. 3

4 1 ASIGNACIÓN DE TIEMPOS 1.1 Conocimiento de la prensa hidráulica TEORIA TIEMPO (min.) Generalidades de la prensa hidráulica. 2 Partes de la prensa hidráulica: Bases fija inferior y superior, gato hidráulico, mesa móvil, manómetro, columnas paralelas, 4 mordazas de sujeción. Conocimiento y cuidados que deben tener sobre la prensa hidráulica y sus partes. 2 Conocimiento de las especificaciones de la NTC 2 para ensayos de tensión. 5 Lectura e interpretación de los resultados del manómetro y calibrador. 2 Conocimiento y especificaciones de la probeta a utilizar en la práctica. 3 Conocimiento de la importancia de la deformación de los materiales metálicos, según el esfuerzo aplicado. Cálculo de la fuerza de Tensión (F), cálculo del Esfuerzo 10 Inducido (σ), y cálculo del % de Elongación (ε). Cuidados que se deben tener en el momento de realizar la práctica, e importancia del uso de los implementos de seguridad. 2 Total Práctica PRÁCTICA TIEMPO (min.) Verificar el funcionamiento de las partes de la prensa hidráulica y asegurarse que el gato hidráulico se encuentre 3 liberado. Colocar la probeta a utilizar en la práctica en las mordazas de sujeción de la prensa hidráulica. Asegurar el gato hidráulico y empezar a bombear 27 lentamente, tomando las mediciones de presión indicadas en la carátula del manómetro y de la posición dada por el calibrador. Realizar una segunda prueba con una probeta de otro 30 material Total 60 4

5 2 MARCO TEÓRICO A continuación se presentan, de manera general, los aspectos más importantes que se deben tener presentes para realizar la práctica. 2.1 Generalidades del ensayo de tensión Este ensayo es utilizado para medir la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Esta prueba consiste en alargar una probeta de ensayo por fuerza de tensión, ejercida gradualmente, con el fin de conocer ciertas propiedades mecánicas de materiales en general: su resistencia, rigidez y ductilidad. Sabiendo que los resultados del ensayo para un material dado son aplicables a todo tamaño y formas de muestra, se ha establecido una prueba en la cual se aplica una fuerza de tensión sobre una probeta de forma cilíndrica y tamaño normalizado, que se maneja universalmente entre los ingenieros. Este ensayo se lleva a cabo a temperatura ambiente entre 10ºC y 35ºC. A continuación se presenta un dispositivo utilizado para realizar este tipo de ensayos (Ver Figura No. 1) (2) Comportamiento de los distintos materiales frente al ensayo. El comportamiento de los distintos materiales frente al ensayo se encuentra ilustrado en la siguiente grafica. La figura No. 2 muestra en forma cualitativa las curvas de esfuerzo-deformación unitaria normales para un metal, un material termoplástico, un elastómero y un cerámico. En esta figura, las escalas son cualitativas y distintas para cada material. En la práctica, las magnitudes reales de los esfuerzos y las deformaciones pueden ser muy distintas entre sí. Se supone que el material plástico esta arriba de su temperatura de transformación vítrea (T g ), mientras que los materiales metálicos y termoplásticos muestran una región inicial elástica, seguida por una región plástica no lineal. También se incluye una curva aparte para los elastómeros (es decir, hules o siliconas), ya que el comportamiento de esos materiales es distinto del de otros materiales poliméricos. Para los elastómeros, una gran parte de la deformación es elástica y no lineal. Por otra parte los cerámicos y los vidrios solo muestran una región elástica lineal y casi nunca muestran deformación plástica a temperatura ambiente. (Ver figura No. 2) (1). Figura 1: Máquina donde se lleva a cabo la Prueba de Tensión 5

6 Figura 2: Curvas de esfuerzo deformación a la tensión, para distintos materiales La ductilidad La ductilidad es el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se mide por la relación de la longitud original de la probeta entre marcas calibradas antes (l o ) y después del ensayo (l f ) (3) Esfuerzo y deformación ingenieriles (3) Los resultados de un solo ensayo se aplican a todos los tamaños y secciones transversales de especímenes de determinado material, siempre que se convierta la fuerza en esfuerzo, y la distancia entre marcas de calibración se convierta a deformación. El esfuerzo ingenieril (lb/pul^2) y la deformación ingenieril (pul/pul) se definen con las siguientes ecuaciones: Donde: : ó : F: Fuerza aplicada en la probeta (lb) A o : Área de la sección transversal original de la probeta. (pul^2) L o : Longitud calibrada antes de la aplicación de la carga. L: Longitud adquirida por la sección calibrada, al iniciar la aplicación de la carga. Donde: : F: Fuerza aplicada en la probeta (lb) Ainst: Área real (instantánea) que resiste la carga (pul^2). La deformación real se determina con la elongación instantánea por unidad de longitud del material. Esta se determina con la siguiente ecuación: ó : ln En donde L y L o ya están definidos en el punto anterior. 2.2 Diagramas esfuerzo deformación El Diagrama Esfuerzo Deformación es utilizado cuando se lleva a cabo el ensayo de Tensión. Este tipo de graficas se pueden hacer con los datos calculados esfuerzodeformación ingenieriles, o con los datos correspondientes a esfuerzo deformación reales. A continuación se presenta el diagrama de esfuerzo deformación para el caso de datos reales. (Ver Figura No. 3) (1) Esfuerzo y deformación real (1) El esfuerzo real a diferencia del esfuerzo ingenieril, tiene en cuenta el área instantánea que se reduce a medida que avanza el ensayo. El esfuerzo real (lb/ pul^2) se puede definir con la siguiente ecuación: 6

7 empieza a crecer nuevamente, entrando a la región de deformación plástica Figura 3. Gráfico de Esfuerzo Deformación (real) Donde: S ced : Resistencia en el punto de cedencia. S rot : Resistencia a la rotura. S últ : Resistencia en el punto de esfuerzo último Punto de Cedencia (1) Es el momento en que la deformación de la pieza, debido a la carga que se le está aplicando, deja de ser elástica y se vuelve permanente o plástica, es decir que es el punto en el que se quita la fuerza ejercida y la probeta se devuelve a su longitud inicial. El esfuerzo inducido aplicado en el momento cuando el material llega a su punto de cedencia es en realidad la Resistencia Cedente del Material, S ced. En algunos materiales, la transición de deformación elástica a flujo plástico es abrupta. Esa transición se llama fenómeno de punto de fluencia. En esos materiales, al comenzar la deformación plástica, el valor del esfuerzo baja primero desde el punto de fluencia superior (σ 2 ). El valor del esfuerzo sigue decreciendo y oscila en torno a un valor promedio que se define como punto de fluencia inferior (σ 1 ). (Ver Figura No. 4). Inmediatamente después, el esfuerzo 7 Figura 4: Esfuerzo de cedencia superior e inferior Módulo de Elasticidad (1) La porción inicial lineal de la gráfica esfuerzo deformación mostrada en la Figura No. 4, representa lo que se llama el Modulo de Elasticidad E, de los materiales. Este se calcula según la ley de Hooke, mediante la fórmula: Lo que es igual a la pendiente de dicha porción lineal. Las unidades del modulo de elasticidad son las mismas a las utilizadas para los esfuerzos, esto es (lb/pulg2), (N/m2) ó cualquier otra unidad correspondiente. 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 Encuellamiento Debido a las imperfecciones internas que poseen los materiales al no ser 100%

8 homogéneos ni isotropicos (las propiedades físicas no dependen de la dirección de observación), el sitio del Encuellamiento puede ocurrir en cualquier parte de la probeta; por este motivo se reduce su sección central con el fin de que el Encuellamiento ocurra dentro del área demarcada de 20mm de longitud. (Ver Figura 5) Esfuerzo-deformación para materiales especiales En algunos materiales la resistencia de cedencia no se puede detectar fácilmente, en este caso se le llama Resistencia de Cedencia Convencional (Proof Strength); (Ver Figura No. 7). Es una resistencia teórica que se define mediante una recta paralela a la zona de deformación elástica, desplazada 0.2% hacia la derecha (en el origen), cuya intersección con la curva σ/ε define el punto de resistencia convencional. (También se utiliza el 0.1%, por norma) (1). Figura 5: Forma de la probeta. Figura 7: Determinación del límite elástico convencional, deformación de CARACTERÍSTICAS Y ESPECIFICACIONES DE LA PROBETA Figura 6: Posición de la probeta en la máquina. A continuación se presentan las características y especificaciones de las probetas utilizadas en la prueba de Tensión. La probeta de ensayo se obtiene generalmente por maquinado de una muestra del producto trabajado en frio o fundido. La sección transversal de las probetas puede ser circular, cuadrada, 8

9 rectangular o en casos especiales de cualquier otra forma. 3.1 Probetas proporcionales Las probetas de ensayo cuya longitud inicial se relaciona con el área inicial de la sección transversal Lo = K A0, son llamadas Probetas Proporcionales. El valor adoptado internacionalmente para K es La longitud calibrada inicial no puede ser menor a 20mm. Cuando el área transversal de la probeta es demasiado pequeña es necesario un valor de K más alto, de NOTA: En nuestro caso el diámetro de la probeta utilizada para la práctica de tensión es de 6 mm. La norma internacional exige ½ pulgada. Esto invalida la prueba desde el punto de vista de una certificación oficial, más no desde el punto de vista de los resultados analíticos. 3.2 Probetas maquinadas Las probetas de ensayo maquinadas deben tener una curva de transición entre los agarres de las mordazas y la longitud paralela si estas son de diferentes dimensiones. Los extremos de agarre pueden ser de cualquier forma siempre y cuando se adapten a las mordazas de la máquina. La longitud libre de las mordazas siempre debe ser mayor que la longitud inicial calibrada. 3.3 Probetas no maquinadas Si la probeta es de una longitud no calibrada, la longitud libre entre las mordazas debe ser suficiente para que las marcas calibradas queden a una distancia razonable de las mordazas. 3.4 Marcación de la longitud inicial (Lo) Para probetas proporcionales, el valor de la longitud calibrada inicial puede aproximarse al múltiplo de 5mm más cercano, cuidando que la diferencia entre la longitud calibrada calculada y la marcada sea menor de 10% de Lo. La longitud calibrada inicial se debe marcar con una precisión de +/- 1%. La marcación es un aspecto fundamental, ya que al finalizar la prueba podremos medir la longitud final (L f ), y de esta forma calcular el % de elongación el cual es dependiente de las longitudes inicial y final. 4 MÁQUINA UTILIZADA EN LA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA La máquina utilizada en el laboratorio para la realización de esta práctica es una Prensa Hidráulica. Esta máquina se utiliza para dar forma, extruir, marcar metales y para evaluar la ductilidad de ciertos materiales metálicos sometidos a grandes presiones. A continuación se presentan las partes de esta máquina, para facilitar su comprensión. (Ver Figura No. 8). 4.1 BASE FIJA SUPERIOR E INFERIOR Son las dos bases que le dan la estabilidad general a la máquina, unidas mediante las dos columnas paralelas. (Ver Figura No. 8) 4.2 MESA MÓVIL SUPERIOR Esta mesa, al ser empujada hacia arriba por el gato hidráulico, arrastra la mesa móvil inferir (por intermedio de las dos columnas móviles) y así, estira la probeta montada entre XXX mesa móvil y la base fija inferior. 4.3 GATO HIDRÁULICO El gato hidráulico al ser expandido mediante el bombeo cae la palanca, actúa en un transductor de presión instalado entre su vástago y la base del manómetro. Este transductor de presión, cuyo embolo interno tiene un diámetro 56.8 mm, nos permite calcular la fuerza ejercida sobre la probeta, al leer la presión del manómetro (Ver párrafo 5.1). 9

10 4.4 CALIBRADOR VERNIER Este calibrador se coloca entre la mesa móvil superior de la prensa y la base fija superior; su función es efectuar la medición de la elongación de las probetas utilizadas durante la prueba. 4.5 INDICADOR DE PRESIÓN Este indicador es un manómetro que marca la presión ejercida sobre el aceite. La presión es causada por el gato hidráulico dentro de un pistón intermedio (transductor) entre su vástago y la mesa móvil superior. Tiene dos tipos de escalas, en Psi y en Bar. 4.6 MORDAZAS DE TENSIÓN Esta parte de la máquina se utiliza para realizar la prueba de tensión; entre estas mordazas, es colocada la probeta que tiene dos hombros que facilitan el agarre a cada una de las mordazas; las mordazas giran en su eje central y permiten ser ajustadas al tamaño de la probeta en sus dos extremos; este ajuste debe hacerse cuidadosamente a mano hasta llegar a dejar fija la probeta; ambas mordazas deben ser ajustadas girándolas hacia la derecha. Figura 8: Prensa hidráulica. 10

11 5 CÁLCULOS Y FORMULAS UTILIZADAS EN LA PRÁCTICA A continuación se presentarán las formulas utilizadas en la práctica y se explicarán sus variables: 5.1 Cálculo de la fuerza de tensión (F) Para calcular la fuerza de tensión sobre la probeta se debe considerar el área del embolo interno sobre la cual se ejerciendo la presión medida por el manómetro de la prensa. Esto se puede representar por la siguiente fórmula: Donde: F: Fuerza que se esta ejerciendo sobre la probeta, (lb). P: Presión marcada por el manómetro de la prensa, (lbs/pulg²). A e : Área del émbolo de empuje de la prensa (pulg²). d e : Diámetro del émbolo (pulg). (Para este caso, este diámetro es de 56.8mm) 5.2 Cálculo de la ductilidad La ductilidad se representa por los porcentajes de elongación ó de reducción de área, los cuales se calculan de la siguiente manera: 4 % ó 100 Donde: Lo: Longitud Inicial Calibrada de la Probeta (mm). L: Longitud Elongada de la Probeta (mm) Porcentaje de reducción de área Este porcentaje también representa la deformación plástica antes de la fractura: Donde: % RA: Porcentaje de reducción de área Ao: Área inicial de la probeta Ainst: Área instantánea de la probeta Para calcular el área instantánea de la probeta se puede hacer uso del principio de conservación del volumen total de la probeta, el cual no debe cambiar a pesar de que esta se estire y como resultado se reduce su área transversal: Porcentaje de Elongación El Porcentaje de Elongación representa la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la fractura: 11

12 6 PASOS PARA LA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA DE TENSIÓN. A continuación se explicará de manera detallada los pasos que se tienen que realizar para llevar a cabo con éxito esta práctica: 1. Realizar la medida de la longitud y el diámetro inicial de ambas probetas a utilizar en la prueba, con la ayuda de un calibrador Vernier. Es importante que se realice una marca con la ayuda de un marcador en las probetas, que indique el lugar donde se van a realizar las mediciones del diámetro y la correspondiente a la longitud inicial L o. 2. Es importante recordar que es necesario que las mordazas se deben ajustar convenientemente con las manos, para cuando se lleve la probeta entre perfectamente y luego, se ajustan bien, manualmente. Hay que asegurarse que la probeta esta alineada, es decir, que coincida con las marcas presentes en los soportes. 3. Se le coloca el seguro al gato y se comienza a bombear de modo gradual; cuando se llegue a la posición ligeramente por encima de 0 psi, se establecerá el punto inicial de la prueba, de esta manera se puede registrar en las tablas la lectura inicial del calibrador instalado en la máquina. 4. Accionar de nuevo el gato hasta lograr una lectura en el manómetro de 200 Psi. Posteriormente se procede a consignar en la tabla de toma de datos la lectura del calibrador y el diámetro de la probeta, de 200 en 200 psi. 5. Este procedimiento se repite hasta encontrar de manera experimental el punto de encuellamiento. Una vez encontrado este punto dentro de la práctica se procederá a aplicar presiones pequeñas de manera lenta, para lograr con esto captar las variaciones de presiones y poder consignar de esta manera los datos en las respectivas tablas. 6. Se afloja el gato, la mesa móvil superior retorna a su posición inicial y se aflojan las mordazas de la máquina. 7. Una vez se cuenten con todos los datos experimentales, el estudiante procederá a realizar los cálculos pertinentes y de esta manera realizar el análisis de los resultados obtenidos en la práctica. 7 BIBLIOGRAFÍA (1) ASKELAND, Donal R., Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Thomson Editores. México, (2) GROOVER, Mikell P., Fundamentos de Manufactura Moderna Prentice Hall. México Capítulo 3 Propiedades Mecánicas de los materiales (3) CALLISTER, William. Materials science and Engineering an introduction John Wiley & Sons. Inc. México,