Introducción.En ingeniería se necesita saber cómo responden los materiales sólidos a fuerzas externas como la tensión, la compresión, la torsión, la flexión. Los materiales sólidos responden a dichas fuerzas con una deformación elástica (en la que el material vuelve a su tamaño y forma originales cuando se elimina la fuerza externa), una deformación permanente o una fractura.

La tensión es una fuerza que tira. Bajo tensión, un material suele estirarse, y recupera su longitud original si la fuerza no supera el límite elástico del material. Bajo tensiones mayores, el material no vuelve completamente a su situación original, y cuando la fuerza es aún mayor, se produce la ruptura del material.Un ensayo de resistencia a la tensión se realiza en una Máquina Universal y la operación consiste en someter una probeta normalizada a una carga mono axial gradualmente creciente (es decir, estática) hasta que ocurra la falla.

Las probetas para ensayos de tensión se fabrican en una variedad de formas. La sección transversal de la probeta puede ser redonda, cuadrada o rectangular. Para la mayoría de los casos, en metales, se utiliza comúnmente una probeta de sección redonda. Para láminas y placas usualmente se emplea una probeta plana.La transición del extremo a la sección reducida debe hacerse por medio de un bisel adecuado para reducir la concentración de esfuerzos causados por el cambio brusco de sección.

Consideraciones Teoricas.Generalidades del ensayo de tensión.

Este ensayo es utilizado para medir la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente.onsiste 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.

Esfuerzo y deformación ingenieriles.

Los resultados de un solo ensayo se aplican a todos los tamaños y secciones transversales de especimenes 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:

• F: Fuerza aplicada en la probeta (lb) • Ao: Área de la sección transversal original de la probeta. (pul^2) • Lo: Longitud calibrada antes de la aplicación de la carga. • L: Longitud adquirida por la sección calibrada, al iniciar la aplicación de la carga.

Esfuerzo y deformación real.

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:

Donde:

• F: Fuerza aplicada en la probeta (lb) • A: 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:

En donde L y Lo ya están definidos en el punto anterior.

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 esfuerzo-deformación ingenieriles, o con los datos correspondientes a esfuerzo – deformación reales.

→Deformación: Es el proceso durante el cual un cuerpo cambia sus dimensiones en respuesta a una o varias fuerzas exteriores que sobre él se aplican. Al inicio de la deformación se producen efectos reversibles en el cuerpo, los cuales desaparecen después de que elimina la fuerza; a esto se le denomina: estado de deformación elástica. A partir de que la deformación rebase el estado elástico, se producen el cuerpo efectos no reversibles y que dan lugar al estado de deformación plástica. En algunos casos, la

deformación plástica puede llegar a rebasar el 100% sin que se detecte variación en el volumen total del cuerpo. La deformación plástica parece entonces efectuarse a volumen constante o por una variación muy pequeña, lo cual se traduce simplemente en el hecho de que el número de átomos de un cuerpo es constante durante la deformación y que no se produce más que una reorganización en el apilamiento de los átomos, lo cual es suficiente para inducir un cambio en volumen.

→ Esfuerzo: Se dice que un cuerpo está sometido a esfuerzo, cuando una parte de él ejerce fuerzas sobre partes vecinas y estas fuerzas dependen de las dimensiones del cuerpo. Deformación. Es el cambio en dimensiones que experimenta un cuerpo cuando se encuentra sometido a esfuerzo. La mayor parte de los ensayos mecánicos en laboratorio se efectúan en el estado de esfuerzo uniaxial, ya sea en tensión o compresión. Esto se debe a que los mecanismos microscópicos que se encuentran en juego después de la deformación, son complejos y muy variados y por eso se prefiere la simplificación de las condiciones de operación al estado uniaxial.

Donde:

• Sced: Resistencia en el punto de cedencia. • Srot: Resistencia a la rotura. • Súlt: Resistencia en el punto de esfuerzo último.

→ Esfuerzo de fluencia: Al incrementar el esfuerzo más allá del límite proporcional, la curvaesfuerzo-deformación unitaria presenta una pendiente cada vez menor, hasta llegar alpunto B donde se vuelve horizontal y ocurre un considerable alargamiento de la probeta sin un incremento perceptible en la fuerza de tensión hasta llegar al punto C. Esta característica se conoce como fluencia del material y el punto B de la gráfica corresponde al denominado esfuerzo de fluencia.

Punto de Cedencia.

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, Sced.

Módulo de Elasticidad.

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 lo mismo a la pendiente de dicha porción lineal. Las unidades del modulode 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 quita la fuerza, la deformación que haya alcanzado el material se devuelve a cero, su forma original antes de iniciar la prueba.

→ Región elástica: Zona ubicada entre la línea recta que va del origen al punto A y endonde se observa una relación proporcional entre el esfuerzo y la deformación unitaria. La pendiente de esta recta se conocecomo módulo de elasticidad.

Encuellamiento.

Debido a las imperfecciones internas que poseen los materiales al no ser 100% homogéneos ni isotrópicos (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 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 (ProofStrength); (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).

Resistencia a la compresión.

Lanorma regional que establece las condiciones de prueba, dimensiones de las probetas y paralelismo de las mismas, es:normaastm e9-89ª

“standard test methods of compression testing of metallic materials at room temperature”

Cuando se somete la probeta a una disminución de su altura a velocidad constante, el diámetro de la probeta aumenta considerablemente. en este caso al contrario de lo que pasa en tensión, como el diámetro cada vez es mayor la carga que se va requiriendo para

seguir acortando la probeta cada, cada vez es mayor. por lo tanto en la gráfica se observa un aumento de carga con un repunte de la misma.

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, extrudir, marcar metales y para evaluar la ductilidad de ciertos materiales metálicos sometidos a grandes presiones.

Base fija superior e inferior.

Son las dos bases que le dan la estabilidad general a la máquina, unidas mediante las dos columnas paralelas.

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, nos permite calcular la fuerza ejercida sobre la probeta, al leer la presión del manómetro.

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.

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.

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 acada 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.

CÁLCULOS Y FORMULAS UTILIZADAS EN LA PRÁCTICA.

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:

Dónde:

• F: Fuerza que se esta ejerciendo sobre la probeta, (lb). • P: Presión marcada por el manómetro de la prensa, (lbs/pulg²). • Ae: Área del émbolo de empuje de la prensa (pulg²). • de: Diámetro del émbolo (pulg).

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:

Porcentaje de Elongación.

El Porcentaje de Elongación representa la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la fractura:

Dónde:

• 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 transver

Desarrollo de la Práctica.

Materiales:

o Máquina Universal de Pruebas Mecánicas.

Capacidad: 25 Toneladas.→250 KN.Marca: INSTRON.Modelo: 8502

Partes principales: -Celda de carga: cerebro del equipo.-Software-Reservorio: sistema hidráulico.

o Probeta.

Tipo de Acero: SAE 1018Diámetro: 9.1mm en la sección reducida.

Procedimiento:

Seguimos los siguientes pasos para realizar la practica con la supervicion de los ingenieros.

1.- Primeramente se calibro la celda de carga a 0° KN

2.- se midio la proveta antes de ponerla en la maquina

3.- Se baja la máquina para amordazar la probeta a una presión de 3000 psi.

4.- procede a revisar que la probeta este bien sujetado por la máquina y por el extensómetro. 5.- Posteriormente se procede a consignar en la tabla de toma de datos la lectura del calibrador.

6.- Este procedimiento se repite hasta encontrar de manera experimental el punto de encuellamiento.

7.- Una vez que se encontró del punto de encuellamiento procedemos a retirar la probeta de la máquina universal de pruebas mecánicas.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Series2Linear (Series2)

DEFORMACION UNITARIA

ESFU

ERZO

FracturaZona plastica

Zona elastica

Calculos.

Conclusión.Con esta práctica logre observar las diferentes tipos de fracturas antes estudiadas en clase concluí como un material pasa por diferentes puntos antes de ser deformado en su totalidad y como tiene un punto máximo de elasticidad para no deformarse, la forma en la que se ve instantes andes de fracturarse y como sus propiedades cambian después de pasar el punto máximo de elasticidad y se deforma hasta el punto de la fractura pasando por diferentes zonas , concluí como es una fractura dúctil y la fractura frágil.

Bibliografía.

• ASKELAND, Donal R., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, Thomson Editores. México, 1998.

• GROOVER, Mikell P., “Fundamentos de Manufactura Moderna” Prentice Hall. México 1997. Capítulo 3 “Propiedades Mecánicas de los materiales”