RESISTENCIA DE MATERIALES

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1 Procesos de Fabricación I. Guía 1 1 RESISTENCIA DE MATERIALES

2 Resistencia de Materiales. Guía 1 1 Tema: ENSAYO DE TRACCIÓN. Contenidos Módulo de elasticidad Límite de elasticidad Resistencia de fluencia Resistencia última Resistencia a la rotura Resiliencia Tenacidad Elongación Reducción de área Objetivos Específico 1. Observar el desarrollo del ensayo de tracción, ejecutada de acuerdo a la norma ASTM E- 8 (equivalente a la norma ISO 6892). 2. Al finalizar el laboratorio, a partir de las observaciones efectuadas y con base en la hoja de resultados del ensayo el alumno será capaz de elaborar la gráfica esfuerzo deformación del mismo, con el cual calculará para el material sometido a carga uniaxial las propiedades de: a- Módulo de elasticidad b- Límite de Elasticidad c- Resistencia de fluencia. d- Resistencia última. e- Resistencia a la rotura f- Resiliencia g- Tenacidad; además, a partir del examen visual y de las medidas tomadas a las dos partes de la probeta después de la rotura, podrá determinar: h- El porcentaje de elongación i- El porcentaje de reducción de área Marco Teórico La norma ASTM E 8 explica la forma de aplicar un ensayo de tensión uniaxial en materiales metálicos; sus resultados pueden proporcionar información sobre la elasticidad, resistencia y ductilidad de los materiales, que pueden ser muy útiles en: las comparaciones entre diferentes materiales, el desarrollo de nuevas aleaciones, el control de calidad y diseños de piezas que necesitan cumplir ciertos requerimientos en determinadas circunstancias de uso. Los resultados de las pruebas de tensión de las muestras obtenidas, de las partes seleccionadas de una pieza o

3 Resistencia de Materiales. Guía 1 2 material no representan necesariamente las propiedades del producto final o de su comportamiento en servicio en diferentes ambientes. Esta norma cubre los ensayos de tensión de los materiales metálicos a temperatura ambiente, con la ventaja de que la colocación de la probeta es fácil para los operadores. Las fijaciones permiten cambiar las probetas muy rápidamente. Se debe elaborar una muestra del material del que se necesitan conocer las propiedades, a la que llamaremos probeta y colocarla en una máquina especial, la que consiste básicamente de un marco muy resistente y dos mordazas: una fija y otra móvil. La máquina cuenta con una celda de carga (que cuantifica la fuerza aplicada a la probeta), y un sensor de desplazamiento, así como un dispositivo (captador, extensómetro o deformímetro) que se adhiere a la probeta y que mide la deformación unitaria de ésta; procesando estas señales se pueden elaborar gráficas del ensayo. En la figura 1 se muestra un esquema de la máquina de ensayo de tensión (o tracción) y una fotografía de la misma. La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una rapidez (en milímetros por minuto: mm/min) previamente seleccionada. FIGURA No CONDICIONES AMBIENTALES. Salvo especificación en contrario, el ensayo se lleva a cabo a la temperatura ambiente (entre 10 y 35 C). Para los ensayos que deban realizarse en condiciones controladas, la temperatura ambiente deberá mantenerse a (23 + 5) C. 2. PROBETAS, FORMA Y MEDIDAS La forma y las medidas de las probetas dependen de los materiales y aplicaciones cuyas características mecánicas se desean determinar. La probeta se obtendrá, generalmente, por mecanizado de una muestra elaborada a partir del material de interés, también puede ser una muestra moldeada. En el caso de productos de sección

4 Resistencia de Materiales. Guía 1 3 constante (perfiles, barras, alambres, cables etc.) o de las muestras en forma de barras obtenidas por moldeo (por ejemplo: fundición o aleaciones no férreas) se pueden utilizar como probetas las muestras sin mecanizar. La sección recta transversal (parte calibrada) puede ser circular, cuadrada, rectangular, anular; y en ciertos casos particulares, de otras formas. Probetas mecanizadas: Las probetas mecanizadas deberán tener un radio de acuerdo suave entre la parte calibrada y los extremos, ya que ambas partes son de diferente medida; esto se hace con el propósito de disminuir la concentración de esfuerzos. Los extremos pueden ser de cualquier forma que se adapte a los dispositivos de sujeción de la máquina de ensayo. En la tabla 1 se muestran las dimensiones normalizadas de probetas cilíndricas utilizadas en varios países, aunque la tendencia es a unificar las diferentes normas. La figura 2 indica las dimensiones a que se refiere la tabla 1. Tabla 1: Dimensiones normalizadas de probetas cilíndricas normal y reducida, según norma ASTM E-8M. DIMENSIONES (mm) Probetas L 0 D Lc r ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± Fig. 2 Probeta normalizada 3. PARÁMETROS A OBTENER A PARTIR DEL ENSAYO: Es frecuente que el software proporcione en forma impresa la gráfica y los valores de resistencia última en tensión, fuerza máxima, resistencia de fluencia. A continuación observamos dos gráficas: la fig. 3 muestra una gráfica de fuerza contra deformación, la figura 4 muestra una gráfica de esfuerzo técnico contra deformación técnica unitaria.

5 Resistencia de Materiales. Guía 1 4 Fig. 3 Gráfica fuerza contra deformación, P t fuerza máxima, P y fuerza de fluencia Fig. 4 Gráfica esfuerzo técnico contra deformación unitaria Aunque ambas se parecen mucho, para un análisis general es más útil la gráfica 4 que la 3, ya que la gráfica 3 depende de las dimensiones de la probeta; en cambio la gráfica 4 representa el comportamiento del material en un ensayo uniaxial sin importar las dimensiones de la probeta. En la figura 4 observamos que desde el origen de coordenadas sale una línea recta, cuya pendiente o inclinación representa el módulo de elasticidad del material (E), es decir la cantidad de fuerza por unidad de área (esfuerzo) requerida para producir una cantidad unitaria de deformación. Todas las piezas en servicio están diseñadas para trabajar en esta zona. Pieza que se sale de la parte recta sufre una deformación permanente y ya no es segura para desempeñar su función, por lo que se debe descartar y sustituir por una nueva pieza. Cuando no se utiliza deformímetro, esta primera parte no queda recta debido al deslizamiento de la probeta con respecto a las mordazas. Para medir esta pendiente es necesario generalmente tener una ampliación de la figura en esa zona, de lo contrario, esta parte recta da la impresión de ser vertical (en los aceros la pendiente usualmente es de 200 MPa). Otro parámetro de interés es el límite de elasticidad, que en el caso de la gráfica 4, está muy cerca de la resistencia de fluencia (cedencia). La importancia de este parámetro es que señala el límite a partir del cual las deformaciones no solamente serán elásticas (recuperables al descargar la probeta), sino que también plásticas (permanentes) la pieza queda deformada al quitarle la carga y ya no podrá desempeñar bien su función. Para materiales dúctiles ese valor sirve de referencia para el factor de seguridad. Uno de los parámetros más importantes en el ensayo de tensión es la resistencia última o resistencia de tensión. Este punto es el mayor esfuerzo que soporta el material (σ t en la gráfica 4) y en los materiales frágiles sirve de referencia para el factor de seguridad. Una pieza que tiene un factor de seguridad de tres, por ejemplo, está diseñada para soportar en uso un esfuerzo cuyo máximo valor es la tercera parte de su resistencia de tensión, el resto queda de reserva para cuestiones imprevistas, incertidumbres en las propiedades, etc. El ensayo de dureza también tiene una correlación con este valor. Por ejemplo, si la dureza Brinell de un acero es de 400, la resistencia última será de 200,000 psi (400 HB x500, o 28.5 MPa), ya que la resistencia última es igual a la dureza Brinell multiplicada por 500.

6 Resistencia de Materiales. Guía 1 5 Al final de la gráfica tenemos un punto que indica la resistencia de rotura, el cual también es tomado en algunos casos como referencia de que tan cerca puede estar la pieza de fallar catastróficamente. El área (triángulo formado por la recta que parte desde cero, la línea vertical que parte del límite elástico hacia la abscisa y la abscisa) se le llama RESILIENCIA y representa la energía por unidad de volumen que absorbe el material en la región elástica, una de sus utilidades es la selección de materiales aptos para construir resortes; entre mayor es el área mencionada, más energía por unidad de volumen puede almacenar el material, lo cual es deseable en los resortes, ya que en cierto momento absorben la energía y después la regresan al disminuir la deformación. En la figura 5 se observa lo antes mencionado. Fig. 5. Se muestra la resistencia de fluencia y la de rotura (σ y y σ r ) del material, el área bajo la recta inclinada representa la resiliencia del material Fig. 6. El área bajo la curva representa la tenacidad del material El área total bajo la curva de la Fig. 6 representa la energía que absorbe el material al deformarse hasta la rotura, propiedad llamada TENACIDAD; los materiales tenaces (soportan mucha deformación antes de romperse) son deseables en aquellas piezas expuestas a los impactos, ya que absorben buena parte de la energía del choque y evitan que la energía se transmita, aminorando los daños a las personas en un vehículo. Por ejemplo, es usual decir que los vehículos no los hacen como antes, ya que un ligero golpe produce una gran abolladura, pero ahí el material está desempeñando su función al absorber la energía del choque. Otro ejemplo es la de los edificios, los cuales, en sus columnas llevan un alma de varillas de acero, que en caso de terremoto absorberán energía, disminuyendo la posibilidad de una catástrofe, pues el concreto no lo hace. Los dos parámetros restantes se miden posterior al rompimiento de la probeta, tiene que ver con la ductilidad del material ensayado (capacidad de deformarse antes de romperse) y son: el % de elongación y el % de reducción de área. Para medir el % de elongación se toman de referencia los dos puntos hechos con el

7 Resistencia de Materiales. Guía 1 6 punzón en la probeta antes del ensayo, la tabla 1 indica la distancia original (distancia L 0 ); después de la rotura, las dos partes de la probeta vuelven a unirse y se procede a medir la deformación permanente ΔL (L rotura -L 0 ) entre los dos puntos, la cual será mayor por el estiramiento de la probeta, Esta deformación se divide entre el L 0 original multiplicado por el 100 %, es el % de elongación. A mayor % de elongación de un material más dúctil es. Es decir: ε = (ΔL/L 0 ) x100 % Fig. 7. Probeta después del ensayo de tracción. Para medir el % de reducción de área, se calcula el área original con el diámetro D de la tabla 1, después de la rotura, se unen las dos partes y se mide la parte mas delgada de la rotura, con esto se calcula el área final. El % de reducción de área se obtiene restando al área original la final y dividiendo esta resta entre el área original. % R.A: = [(A 0 A f )/A 0 ] x100 %. Descripción del ensayo Elaborada la probeta del material a ensayar, se marca sobre ella dos puntos con un granete o punzón, separados una longitud L 0, tal como lo indican la tabla 1 y la figura 2. Se monta la probeta en las mordazas de la prensa, se fija el extensómetro a los puntos marcados con el granete y se aumenta la carga P con una velocidad v = 10 mm / min; al llegar al momento en que la carga deja de aumentar, o incluso disminuya ligeramente, estaremos en la región de fluencia; posteriormente veremos un aumento gradual en la carga hasta llegar a un máximo, cerca del cual comenzará a formarse un cuello o estricción (adelgazamiento) de la probeta que irá acompañado de una ligera reducción de la carga hasta alcanzar la carga de rotura. Si inmediatamente después de la rotura se toca la parte más deformada, se detectará un calentamiento de la zona debido al trabajo efectuado durante la deformación de la misma. La rapidez de deformación puede oscilar entre 4 y 10 mm/min. Materiales y equipo 1. Probetas 2. Calibrador vernier 3. Máquina de ensayo 4. Punzón

8 NORMAS GENERALES Y DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO Resistencia de Materiales. Guía 1 7 En todo laboratorio será necesario acatar las siguientes normas de seguridad: 1.- Acatar el procedimiento establecido; no hacer con los materiales y equipos facilitados procedimientos diferentes a los establecidos. La contravención a esta norma puede causar la expulsión del alumno si hace procedimientos que pongan en peligro la integridad de los asistentes, incluido él mismo. 2.- No se permite el uso de Ipods, celulares u otros medios de distracción en el laboratorio. Si alguien desea responder una llamada urgente, pedir permiso para responderla fuera del local. 3.- Cada estudiante debe llevar su guía de laboratorio individual, sin la cual no se admitirá al laboratorio, lo que conlleva perder la nota de esa sesión. 4.- No se permiten bromas o pláticas que distraigan la atención de los asistentes. 5.- No se permite comer o beber refrescos de ningún tipo dentro del laboratorio. 6.- Llegar al laboratorio puntualmente, diez minutos después de iniciado no se permite el ingreso y se pierde la nota de la sesión. 7.- Es obligatorio el uso de gabachas y de zapatos adecuados (que no tengan suela lisa o muy delgada) por la posible presencia en el suelo de aceite u objetos puntiagudos. 8.- Asistir al grupo de laboratorio en que está inscrito. Procedimiento 1.- Identificación de los materiales proporcionados. Llene la siguiente tabla. Tabla 1 Material Descripción Dimensiones 2.- Mida en las probetas ensayadas la distancia entre los puntos, y el área mínima en la zona de estricción y calcule el % de elongación y el % de reducción de área y anótelos en la siguiente tabla. Tabla 2 Material % de elongación % de reducción de área 3.- A partir del gráfico esfuerzo versus deformación calcule las propiedades solicitadas llene la siguiente tabla, compare con las propiedades investigadas y calcule el % de diferencia. Tabla 3 Material: Modulo elástico (GPa) Resistencia de fluencia (MPa) Experimental Investigada Diferencia (%)

9 Resistencia de Materiales. Guía 1 8 Resistencia última (MPa) Resistencia de rotura (MPa) Resiliencia (MPa) Tenacidad (MPa) 4.- Anote toda otra información y observación relevante para la interpretación de resultados Investigación en sitios confiables a) Las especificaciones de la norma ASTM E - 8 b) Las propiedades de los materiales ensayados Análisis de resultados Discusión 1. Indique la norma bajo la cual se efectuó lo ensayo 2. Mencione, citando la norma, los aspectos que no se cumplieron durante el ensayo Referencias 1. Ferdinand P.Beer y otros, Mecánica de Materiales, 5a. Ed. McGraw - Hill, México, Madhjukar Vable. Mecánica de materiales, primera edición, Oxford university press, México Avner, S. (1988) Metalurgia Física, México D.F. McGraw-Hill. 2ª edición 4. Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición 5. Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición. 6. Neely, J. E., Kibbe, R.R. y García Diaz, R. (1992) Materiales y Procesos de Manufactura. México D. F. Limusa

10 Resistencia de Materiales. Guía 1 9 Elaboración de informe de laboratorio 1.- Reporte las dimensiones iniciales y finales de las probetas necesarias para efectuar los cálculos, el equipo que haga el informe se llevará sus probetas para medirlas, observarlas y tomarles las fotos necesarias para sustentar sus conclusiones, regresándolas al entregar su informe de laboratorio. 2.- Elabore las tablas y graficas que considere relevantes para respaldar sus cálculos y conclusiones. 3.- Elabore las conclusiones del ensayo, enfatizando en los aspectos relevantes de la experiencia, tome en cuenta los objetivos del laboratorio. Nota: Toda información sobre las mediciones del ensayo que se le proporcione al alumno, deberá dar una copia a su instructor CRITERIOS DE EVALUACIÓN: Agregar las investigaciones efectuadas sobre las propiedades de los materiales ensayados y comparándolos con los resultados obtenidos elabore las conclusiones, y recomendaciones. Si hay diferencias marcadas, indique las causas probables. Hoja de cotejo Aspecto a evaluar: Portada, letra Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la institución, Nombre del tema, Nombres de los autores, fecha de entrega. Todas las partes deberán ser legibles. Nombre del archivo: Lab1.Equipox Objetivos y Procedimiento máximo) Mediciones efectuadas y Tablas de datos abreviado (1 página Puntaje obtenido/puntaje máximo Requisito Requisito Requisito Cálculos efectuados correctamente /20 Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web y otros (al menos en 3 sitios confiables) Gráficas solicitadas /20 Discusión y conclusiones: Comparación de los resultados experimentales con lo reportado en libros o sitios confiables (éstos se tomarán como los valores teóricos), indicar si se lograron los objetivos o no y porqué. Si fuera insuficiente la información para hacer las comparaciones, indicar las fuentes consultadas, a fin de que la nota no sea afectada. Anexe fotos, videos y esquemas necesarios. Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo (individual) La ortografía debe ser impecable. La redacción debe ser clara y concisa. /10 /45 Requisito /5 Autoevaluación y comentarios

11 Resistencia de Materiales. Guía 1 10 No lleva gabacha (individual) - 10 Cálculos erróneos (Al equipo) - 10 No lleva guía de laboratorio (individual) - 10 Entrega tardía (por cada día de atraso) - 10 No colabora o se comporta indebidamente (individual) TOTAL El informe se entregará una semana después del laboratorio en forma impresa y en versión digital, ejemplo: si el laboratorio se efectúa el lunes, a más tardar el lunes siguiente se entregará al responsable del laboratorio. Entrega tardía: 10 % menos cada día. Si no cumple con los requisitos se devolverá el informe, con la condición de regresarlo el día siguiente, descontándosele 10 % por no cumplir con los requisitos y por cada día de retraso se descontará 10 % adicional. El alumno deberá respetar la normas de seguridad del laboratorio, si hay violación a estas normas, el instructor podrá expulsar de la sesión al infractor, conllevando a la perdida de la nota de esa sesión, sin posibilidad de solicitarla diferida.

12 Resistencia de Materiales. Guía 1 11 Guía 1: ENSAYO DE TRACCIÓN Hoja de cotejo: 1 Alumno: Máquina No: Docente: GL: Fecha: CONOCIMIENTO 20% Conocimiento deficiente de los fundamentos teóricos APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO EVALUACION % Nota 15% Aplicación deficiente de la simbología 15% Uso deficiente de los accesorios solicitados 15% Aplicación deficiente de las normas de seguridad 15% Resultados de la práctica son deficientes ACTITUD 10% No tiene actitud proactiva. 10% Demuestra pocos valores profesionales TOTAL 100% Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos Aplicación incompleto de la simbología Uso incompleto de los accesorios solicitados Aplicación incompleta de las normas de seguridad Resultados de la práctica son buenos Actitud propositiva y con propuestas no aplicables al contenido de la guía. Demuestra regulares valores profesionales Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos Aplicación excelente de la simbología Uso excelente de los accesorios solicitados Aplicación excelente de las normas de seguridad Resultados de la práctica son excelentes Tiene actitud proactiva y sus propuestas son concretas. Demuestra buenos valores profesionales