Aluminio 285d4x

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INGENIERÍA ROBÓTICA INDUSTRIAL ALUMNO MUÑOZ RIVERA ALONSO PROFESORA ING. NORMA JULIETA MARTINEZ CERVANTES MATERIA Ensaye de Materiales ENSAYE No. 7 “ENSAYE DE TENSION EN PROBETA DE ALUMINIO”

3RM3 Fecha: 08/11/10

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Ensaye No.7: “Tensión en Probeta de Aluminio”

Objetivo Determinar la resistencia a la rotura y las principales propiedades mecánicas del material que es posible apreciar en el diagrama carga-deformación.

Marco Teórico Se le conoce al término tensión al efecto de aplicar una fuerza sobre una forma alargada aumentando su elongación. Limite Elástico

El límite elástico, también denominado límite de elasticidad y límite de fluencia, es la tensión máxima que un material elástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. Si se aplican tensiones superiores a este límite, el material experimenta deformaciones permanentes y no recupera su forma original al retirar las cargas. En general, un material sometido a tensiones inferiores a su límite de elasticidad es deformado temporalmente de acuerdo con la ley de Hooke. Los materiales sometidos a tensiones superiores a su límite de elasticidad tienen un comportamiento plástico. Si las tensiones ejercidas continúan aumentando el material alcanza su punto de fractura. El límite elástico marca, por tanto, el paso del campo elástico a la zona de fluencia. Más formalmente, esto comporta que en una situación de tensión uniaxial, el límite elástico es la tensión isible a partir de la cual se entra en la superficie de fluencia del material.



Determinación del Limite Elástico

Si se disponen las tensiones en función de las deformaciones en un gráfico se observa que, en un principio y para la mayoría de los materiales (los elastómeros no lo cumplen, por ejemplo), aparece una zona que sigue una distribución casi lineal, donde la pendiente es el módulo de elasticidad E.

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Esta zona se corresponde a las deformaciones elásticas del material hasta un punto donde la función cambia de régimen y empieza a curvarse, zona que se corresponde al inicio del régimen plástico. Ese punto es el punto de límite elástico. Debido a la dificultad para localizarlo exactamente y con total fidelidad, ya que en los gráficos experimentales la recta es difícil de determinar y existe una banda donde podría situarse el límite elástico, en ingeniería se adopta un criterio convencional y se considera como límite elástico la tensión a la cual el material tiene una deformación plástica del 0.2% (o también ε = 0.002).

Curva de Carga y Deformación Nominal

Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se comporta como un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial. Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple: F = K (L - L0) F: Carga K: Cte. del resorte L: longitud bajo carga L0: longitud inicial Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría más larga que al principio.

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Deja de ser válida nuestra fórmula F = K (L - L0) y se define que ha comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia y la fuerza que lo produjo la designamos como: F = Fyp Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo en F = Fmáx. Entre F = Fyp y F = Fmáx la probeta se alarga en forma permanente y repartida, a lo largo de toda su longitud. En F = Fmáx la probeta muestra su punto débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello. La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando la ruptura.

E=Límite Elástico F=Punto de Cedencia G=Carga Máxima H=Punto de Ruptura

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Límite de Fluencia El límite de fluencia es el punto a partir del cual el material se deforma plásticamente. Hasta esa tensión el material se comporta elásticamenente, siguiendo la ley de Hooke, y por tanto se puede definir el módulo de Young. También denominado límite elástico aparente, indica la tensión que soporta una probeta del ensayo de tracción en el momento de producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia. Este fenómeno tiene lugar en la zona de transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.

Deformación Elástica y Plástica Cuando se aplica una fuerza a una probeta, los enlaces entre los atomos se estiran y por ende el material se alarga. Cuando se retira la fuerza, los enlaces regresan a su longitud y la probeta recobra su tamaño normal, esta deformación se denomina elástica. Si se incrementa la fuerza, el material se comporta de manera plástica, esto es, se producen dislocaciones y se produce un deslizamiento por lo tanto al retirar la fuerza, el material ya no recobra sus dimensiones y forma original; esto es deformación plástica.

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Módulo de Young El módulo de Young o módulo elástico longitudinal es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza. Para un material elástico lineal e isótropo, el módulo de Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico, y es siempre mayor que cero: si se tracciona una barra, aumenta de longitud, no disminuye. Este comportamiento fue observado y estudiado por el científico inglés Thomas Young. Tanto el módulo de Young como el límite elástico son distintos para los diversos materiales. El módulo de elasticidad es una constante elástica que, al igual que el límite elástico, puede encontrarse empíricamente con base al ensayo de tracción del material. Además de este módulo de elasticidad longitudinal, puede definirse en un material el módulo de elasticidad transversal.

En este caso su valor se define mediante el coeficiente de la tensión y de la deformación que aparecen en una barra recta estirada que esté fabricada en el material para el cual pretendemos estimar el módulo de elasticidad:

Donde: es el módulo de elasticidad longitudinal. es la presión ejercida sobre el área de sección transversal del objeto. es la deformación unitaria en cualquier punto de la barra.

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Esfuerzo de Cedencia Es aquel en el que el deslizamiento se hace notorio, este esfuerzo, provoca deformación plástica. En los cálculos se considera en área original.

Esfuerzo de Cedencia Convencional En algunos materiales el esfuerzo en el cual cambia de comportamiento elástico a plástico no se detecta con facilidad, en estos casos se determina un esfuerzo de fluencia convencional el cual es de 0.2 % (es 0.002 mm/mm). Esfuerzo a la Tensión Es la resistencia máxima al material observada en la curva carga deformación como el punto más alto. La resistencia máxima a la tensión no es tan utilizada en el diseño de ingeniería para aleaciones dúctiles, puesto que tiene lugar demasiada deformación plástica antes de que se alcance. Sin embargo la resistencia máxima a la tensión puede dar alguna indicación a la presencia de defectos. Si el material contiene porosidades o inclusiones, estos defectos pueden causar un decremento mayor al normal de la resistencia máxima del material.

ζ= ζ= Esfuerzo a la Tensión P= Carga Máxima A1=Área Inicial

Esfuerzo Real La reducción del esfuerzo mas allá del punto de resistencia a la tensión ocurre debido a la disminución de resistencia que opone el material, en este caso se utiliza el área final, en los cálculos definiendo el esfuerzo real: ζ= ζ= Esfuerzo Real P= Carga Máxima

Af=Área Final

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Ductilidad Mide el grado de deformación que un material puede soportar sin romperse, el procedimiento para calcularlo es el siguiente: Se mide la distancia entre las marcas hechas a las probetas antes y después del ensayo. El porcentaje de alargamiento o elongación es la distancia que se estira la probeta antes de romperse

%E=

(100)

En un ensayo de tensión, se tienen que calcular aproximadamente 27 propiedades mecánicas que la probeta posee, las cuales son las que se presentan a continuación: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) n) o) p)

Esfuerzo en el Limite Elástico Módulo Elástico Resilencia Modulo de Resilencia Esfuerzo de Fluencia Esfuerzo Máximo a la Tensión Esfuerzo a la Ruptura Esfuerzo Real Deformación Total Deformación Unitaria Longitudinal % de Alargamiento Deformación Unitaria Transversal % de Estricción % de Carbono Tenacidad Modulo de Tenacidad

Y por ende para calcular los puntos anteriores, es necesario calcular el area inicial, area final, y las cargas, tanto de cedencia, limite elástico y máxima.

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Requerimientos para Probetas a someter a Tensión Se acostumbra generalmente usar para tipos particulares de ensayos, probetas que tengan sección transversal redonda, cuadrada o rectangular. Una probeta debe ser simétrica con respecto a su eje longitudinal para evitar flexión durante la aplicación de la carga. Las probetas circulares, bajo norma, deben tener las siguientes especificaciones:

DIMENSIONES GENERALES

NORMAL G=Longitud Calibrada D=Diámetro Sección Calibrada R=Radio Zona de Transición

50 +- 0.10mm 13 +- 0.25 mm 10 mm

A=Longitud de la Sección Reducida L=Longitud Total Aproximada P=Longitud Zona de Sujeción C=Diámetro Zona de Sujeción

60 mm 125 mm 35 mm aprox 20 mm

MAS PEQUEÑAS PROPORCIONALES A LA NORMA 35 +- 0.10mm 25 +- 0.10mm 16 +- 0.10mm 10 +- 0.10mm 8.8 +- 0.18mm 6 +- 0.10mm 4 +- 0.10mm 2.5 +- 0.10mm 6mm 5mm 4mm 2mm 45mm

32mm

19mm

16mm

DEBE PENETRAR 2/3 O MAS EN LA MORDAZA

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Procedimiento para Realizar un Ensayo de Tensión La probeta para ser ensayada se le debe aplicar una prueba de dureza, conociendo su dureza se calcula el esfuerzo máximo. Conociendo el esfuerzo máximo y el área de la sección transversal se conocerá la carga máxima (P) y se multiplica por el factor 1.25 para determinar la maquina idónea para el ensaye. Posteriormente se pinta la sección calibrada con azul de Prusia, ya que la ti nta seco, se marca el centro de la probeta, a partir de este centro se tiene que marcar dos rayas a toda la sección a 25mm; la distancia entre cada raya debe ser de 50mm. En el caso de esta práctica, se uso una maquina de 10 toneladas, en la cual su procedimiento es el siguiente:

1. Seleccionar cualquiera de las tres escalas circulares de 0 a 2000kg, de 0 a 5000kg o de 0 a 10000kg. Ya una vez seleccionada la escala, se coloca en la caratula principal. 2. Colocar un contrapeso (solamente para 5 y 10 toneladas). 3. Seleccione el pistón de 5 o 10 toneladas. 4. Colocar el dispositivo para el ensaye (porta mordazas libremente, sin tener obstrucción). Para este tipo de ensayo se puede montar el dispositivo de montaje rápido en el cual las mordazas superiores tienen una protuberancia. 5. Montar la probeta, y con la ayuda de la manivela (parte superior de la maquina), se aproximan las mordazas en la parte inferior de la probeta, la probeta debe estar totalmente fija. 6. Colocar el selector de la carga lateral (10ton). 7. Cerrar válvula de descarga. 8. Conectar equipo abriendo lentamente la válvula 29 y lentamente se le aplica la carga para obtener un colchón de aceite, esto se consigue hasta que aparece la marca roja en el pistón superior. 9. Se ajusta a cero la caratula, verificando que la probeta este totalmente fija. 10. Se monta el papel milimétrico en el tambor graficador 11. Con la manivela inferior verificamos si hay precarga aplicada.

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12. Se verifica el cero en la caratula principal, lentamente abrimos la válvula 29 para ir aplicando las cargas seleccionadas, cada vez que se llegue a una de las cargas se debe mantener la carga el tiempo suficiente para que si compañero de equipo indique que elongación se tiene con esa fuerza aplicada, estas operaciones se deben de repetir hasta que la probeta se rompa; es importante que el equipo se dé cuenta en qué momento trono la probeta. La máquina únicamente indicara la carga máxima en la aguja de arrastre.

13. Después se desmonta la probeta para medir la distancia entre las marcas, y esto se hace uniendo los dos pedazos de la probeta, así mismo se debe medir el diámetro en la fractura. j 14. Verifique que la válvula 29 este totalmente cerrada y la válvula de descarga quede abierta y proceda a desmontar dispositivos.

Maquina de 10 Ton, utilizada en nuestro Ensayo de Tensión

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Desarrollo Experimental Se realizo el séptimo ensaye del semestre, en este caso fue ensayo de tensión, en el cual utilizamos una probeta de Aluminio y se realizó lo visto en el marco teórico anteriormente dicho en la elaboración de esta práctica. A continuación se puede apreciar las medidas obtenidas de los diámetros y longitudes iniciales y finales, y con eso se pudo realizar los cálculos correspondientes. ENSAYO EN MATERIAL NO FERROSO (ALUMINIO) Li= 90 mm Φi= 10.20 mm Lf= 95.33 mm Φf= 7.73 mm ORDEN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

CARGA P=kg 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150

INCREM. P=kg 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50

DEFORM. =0.01mm 0.01 0.04 0.07 0.10 0.12 0.14 0.17 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.33 0.35 0.38 0.40 0.43 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54

INCREM. =0.01mm 0.03 0.03 0.03 0.02 0.02 0.03 0.03 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 0.03 0.02 0.03 0.03 0.02 0.02 0.02 0.02 0.03

TIEMPO T=s 1.2 8.9 15.6 25.6 30.6 36.4 43 51.4 58.2 65 70 77 85 92 98 103 113 123 131 138 141 150 155

INCREM. T=s 7.7 6.7 10 5 5.8 6.6 8.4 6.8 6.8 5 7 8 7 6 5 10 10 8 7 3 9 5 6

OBSERV.

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49

1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2300 2400 2550 2700 2720 2750 2760 2760 2770 2800 2820 2850 2870 2900 2700 2300 2000

100 100 100 100 100 100 100 100 300 100 150 150 20 30 10 0 10 30 20 30 20 30 -30 -200 -500 -

0.57 0.62 0.65 0.70 0.73 0.78 0.82 0.86 0.99 1.00 1.03 1.10 1.17 1.30 1.45 1.71 2.24 2.40 2.80 3.40 4.25 5.28 7.30 9.25 10.60 12.17

0.05 0.03 0.05 0.03 0.05 0.04 0.04 0.13 0.01 0.03 0.07 0.07 0.13 0.15 0.26 0.53 0.16 0.40 0.60 0.85 1.03 1.02 1.95 1.35 1.57 -

161 173 178 180 185 191 199 205 219 238 242 252 264 278 287 300 320 333 365 367 379 388 451 458 514 520

12 5 5 2 5 6 8 6 9 15 4 10 14 9 13 20 13 32 2 12 9 63 7 56 6 -

PLE PCED

PMAX

PRUP

1) Área inicial 2

2

Ai= π (Φ1) / 4

Ai= π (10.20 mm) / 4

Ai= 81.71 mm 2

Ai= 0.8171 cm2

2) Área final. 2

2

Af= π (Φ2) / 4

Af= π (7.73 mm) / 4

Af= 46.92 mm2

Af= 0.4692 cm 2

3) Deformación Total. δ t= Lf – Li

δ t= 95.33 mm – 90 mm

δ t= 5.33 mm

δ t= .533 cm

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO 4) Deformación Transversal. Φ= Φi – Φf

Φ= 10.20 mm – 7.73 mm

Φ= 2.87 mm

Φ= 0.287 cm

5) Deformación Unitaria Longitudinal Ε= δ t / Li

Ε= 5.33 mm / 90 mm

Ε= 0.0592

6) Deformación Unitaria Longitudinal Verdadera. Εv= ln (Ε + 1)

Εv= ln (0.0592 + 1)

Εv= 0.0575 7) % de Alargamiento. %A= (Lf – Li / Li) x 100

%A= (9.533cm – 9 cm / 9 cm) x 100

%A= 5.922 % 8) % de Estricción. %E= (Ai – Af / Ai) x 100 %E= (0.8171 cm2 – 0.4692 cm2 / 0.8171 cm2) x 100 %E= 42.5774 % 9) Módulo de Poisson Μ= %A / %E

Μ= 5.922 % / 42.5774 %

Μ= 0.1390 10) Esfuerzo del Límite Elástico. ζLE= PLE / A1 ζLE= 3304.36 kg/cm

ζLE= 2700 kg / 0.8171 cm

2

2

11) Esfuerzo de cedencia ζCED= PCED / A1 ζCED= 2720kg /0.8171 cm2 ζCED= 3328.84 kg/cm 2

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO 12) Esfuerzo máximo ζMAX= 2900 kg / 0.8171 cm2

ζMAX= PMAX / A1 ζMAX= 3549.13 kg / cm 2 13) Módulo de Young

E= (2700 kg) (9 cm) / (0.8171 cm2) (0.117 cm)

E= PLE (Li) / A1 (δLE) E= 254182.23 kg / cm

2

14) Resilencia R= (1/2) PLE (δLE)

R= (1/2) (2700 kg) (0.117 cm)

R= 157.95 kg cm 15) Módulo de Resilencia MR= R / Ai Li

MR= R / Vi

MR= 157.95 kg cm / (0.8171 cm2) (9 cm)

MR= 21.47 kg cm / cm 3

16) Tenacidad T = R + ∑At

∑A = A1 + A2 + A3 + …+ An

Aa = (2700 kg) (0.130cm – 0.117cm) = 35.1 kg cm Ab = (2720 kg) (0.145cm – 0.130cm) = 40.8 kg cm Ac = (2750 kg) (0.171cm – 0.145cm) = 71.5 kg cm Ad = (2760 kg) (0.224cm – 0.171cm) = 146.28 kg cm Ae = (2770 kg) (0.240cm – 0.224cm) = 44.32 kg cm Af = (2800 kg) (0.280cm – 0.240cm) = 112 kg cm Ag = (2820 kg) (0.340cm – 0.280cm) = 169.20 kg cm Ah = (2850 kg) (0.425cm – 0.340cm) = 242.25 kg cm Ai = (2870 kg) (0.528cm – 0.425cm) = 295.61 kg cm Aj = (2900 kg) (0.730cm – 0.528cm) = 585.8 kg cm Ak = (2700 kg) (0.925cm – 0.730cm) = 526.5 kg cm Al = (2300 kg) (1.060cm – 0.925cm) = 310.5 kg cm Am = (2000 kg) (1.217cm – 1.060cm) = 314 kg cm ∑A = 2893.86 kg cm T = 3051.81 kg cm

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO 17) Módulo de Tenacidad. MT = T / Ai Li

2

MT = 3051.81 kg cm / (0.8171 cm ) (9 cm)

MT = 414.99 cm / cm3

Imágenes Tomadas durante la Elaboración de la Práctica

En la imagen se puede apreciar como la probeta de Aluminio se encuentra destruida en la máquina de Tensión Amsler 52/154 de 10 Toneladas, la cual estuvo sometida a ensaye de tensión.

En la imagen se muestran los dos fragmentos de la probeta de aluminio que quedaron, después de que la misma fuera sometida a ensaye de tensión.

Se aprecia en la imagen del lado izquierdo, como un compañero sostiene las dos partes de la probeta totalmente destruida, el cual anda tratando de unirlas entre sí para observar la diferencia existente en la probeta ya sometida a tensión.

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Conclusiones Para finalizar, este informe sobre el ensayo de tensión a un material como el aluminio (el que acabamos de estudiar), deja en claro el hecho el conocimiento y la importancia de este, quizás no es sólo personal, si que además estas hojas pueden posiblemente caer en manos de una persona que anteceda este laboratorio de ciencias. Posiblemente algunos de los cálculos realizados aquí, no se encuentren en el rango al cual debería estar, debido a un mal manejo en la calculadora, la inexactitud en la muestra. Pero dejamos en sí la idea fundamental de este ensayo, que es la matriz primordial del informe presentado.

Glosario Ensayo de tensión: Es el ensayo que consiste en aplicar a la probeta, en dirección axial, un esfuerzo de tracción creciente y que es generalmente hasta la rotura, con el fin de determinar varias propiedades mecánicas vistas en este informe. Tensión: Intensidad en un punto de un cuerpo de las fuerzas internas o de sus componentes que actúan en un plano dado a través de un punto. Probeta: Trozo o porción de material extraído del producto metálico por ensayar, debidamente preparado según las especificaciones de esta norma y las variaciones indicadas en la norma particular del producto, puede ser longitudinal, transversal, un producto si preparación especial o trabajado según especificaciones. Probeta no proporcional: es aquella en la cual la longitud inicial entre marcas tiene un valor fijo que es independiente de la sección inicial. Carga: Fuerza aplicada en cualquier instante del ensayo. En esta norma se utilizará la relación con la fuerza de tracción.

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Límite de fluencia: Si durante el ensayo se observa una caída de la carga, la tensión correspondiente al valor más alto de dicha carga se denomina "límite superior de fluencia", análogamente para la tensión menor se denomina "límite inferior de fluencia". Alargamiento permanente porcentual: variación de longitud entre marcas de la probeta de ensayo sometida previamente a una tensión prescrita y después descargada, se expresa en porcentaje (%) de la longitud inicial entre marcas. Longitud entre marcas: Longitud de la parte cilíndrica o prismática de la probeta de ensayo, en cualquier momento antes o durante el ensayo, sobre la cual se mide el alargamiento. Se expresa en milímetros. Propiedades mecánicas: propiedades del material asociadas a las reacciones elásticas o inelásticas, cuando se le aplica a una carga y que establecen relaciones tensión deformación. Resistencia: tensión máxima que puede soportar un material a determinada solicitación mecánica.

Bibliografía  Smith William F; Fundamentos Ciencia e Ingeniería de Materiales-Mc Graw Hill 2001  Ensaye de Tensión obtenido de http://www.scielo.cl/pdf/ric/v23n3/art02.pdf el día 03 de Noviembre a las 17:31 pm.

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