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OBJETIVOS
Comparar la elasticidad de los distintos materiales utilizados en el laboratorio.
Analizar las variaciones tanto en los diámetros como en las longitudes de cada
material.
Obtener los valores del б ing , б real, Ɛing , Ɛreal ,, la tenacidad, la estricción, la
resilencia y el factor de seguridad.
Identificar en cada grafica las zonas más importantes como la zona elástica y
el limite elástico, punto de fluencia, punto de carga máxima, punto de fractura
o ruptura.
Comparar los resultados reales con los resultados obtenidos
experimentalmente.
Familiarizarnos con los materiales y herramientas que se usaron en el
laboratorio.
DESCRIPCIÓN DE LOS MATERIALES UTILIZADOS
MÁQUINA AMSLEREs una máquina de funcionamiento mecánico hidráulico calibrado para cinco
toneladas para iniciar el funcionamiento se conecta en un enchufe al toma
corriente para brindarle electricidad y activar el motor eléctrico y transformar la
energía eléctrica en energía mecánica para mover el cilindro inferior, al mover
el embolo genera energía hidráulica para usar el fluido como combustible ygenerar energía eléctrica dirigiéndose hacia el cilindro superior, en el
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transcurso del recorrido el fluido ofrece una resistencia en contra del tubo y
para esto deben estar las válvulas que ejercen contrapresión y regulan el
paso del fluido y cuando llega al cilindro superior por el incremento de la
presión hace desplazar el embolo de dicho cilindro y la energía de hidráulica
que genera este cilindro, se transforma en energía mecánica llegando al
resorte transformándose en energía potencial elástica y esta energía se
comunica a un pequeño sistema conformado por un pequeño tambor en el
cual se grafica carga vs. Deformación y el indicador que comunica la carga
que se aplica la cual llega a la máxima la flecha y luego de este desciende
hasta la ruptura y formación del cuello.
LAPICEROEl objetivo o la función que cumple este equipo es la de trazar la curva que se
origina cuando se va aplicando la carga gradualmente.
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PAPEL MILIMETRADOEs aquella en donde se van a realizar los diagramas de las curvas de cada
material.
PROBETALas probetas que utilizamos en el laboratorio son cinco:
Aluminio
Cobre
Bronce Acero dulce
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Acero corrugado
Las probetas están formadas por una parte central, calibrada, terminada en ambos
extremos por sendas cabezas la cual tiene por finalidad ser ajustadas por lasmordazas de la maquina.
Diámetro: en las probetas cilíndricas podrá adoptarse cualquier diámetro, aunque se
recomiéndalos dos tipos siguientes:
-Probeta normal: 150mm 2
-Probeta pequeña: 37.5mm 2
Dimensionado: la longitud de la parte calibrada deberá ser por lo menos 1.2 veces la
longitud inicial L 0 entre los trazos de referencia.
La longitud L es la distancia entre referencia después de la rotura, medida
aproximando y acoplando entre sí las dos partes en que ha quedado dividida la
probeta cuidando de sus respectivos ejes queden en prolongación uno con otro.
Sección: la sección puede ser circular, cuadrada, rectangular, y en casos especiales
de otra forma parecida. En las probetas rectangulares, la relación entre los lados no
debe de ser menor de ¼.
Cabezas de la probeta: La forma y dimensión de las cabezas viene fijadas por el
dispositivo de sujetación de la maquina.
En acuerdo entre la cabeza y la parte calibrada se hará en forma de curva tangente
a esta última y con un radio mínimo de 5mm.
Modelo de probeta usado en el laboratorio
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REGLA DE VERNIER
Esta regla la utilizamos para medir las longitudes y el diámetro de cada probeta.
FUNDAMENTO TEÓRICO
El ensayo de tracción de un consiste en someter a una probeta normalizada
realizada con dicho material a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se
produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una
ALUMINIO
ACERO CORRUGADO
COBRE
BRONCE ACERO DULCE
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fuerza estática o aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en una
ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas (ε=10 -4 a 10-2 s-1).
En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de losmateriales elásticos:
Módulo de elasticidad o Módulo de Young : Que es el esfuerzo sobre la
deformación,
Límite de proporcionalidad valor de la tensión por debajo de la cual el
alargamiento es proporcional a la carga aplicada.
Límite de fluencia o límite elástico aparente: valor de la tensión que
soporta la probeta 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 incrementode la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.
Límite elástico (límite elástico convencional o práctico): valor de la
tensión a la que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%,
0,1%, etc.) en función del extensómetro empleado.
Carga de rotura o resistencia a la tracción: carga máxima resistida por la
probeta dividida por la sección inicial de la probeta.
Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la probeta.
Se mide entre dos puntos cuya posición está normalizada y se expresa en
tanto por ciento.
Estricción: es la reducción de la sección que se produce en la zona de larotura.
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Carga máxima: es la carga máxima a la cual una probeta se puede
deformar, luego de esta deformación la probeta procederá a romper.
Deformaciones elásticas: en esta zona las deformaciones se reparten a lo
largo de la probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga
aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial. El coeficiente de
proporcionalidad entre la tensión y la deformación se denomina módulo de
elasticidad o de Young y es característico del material. Así, todos los aceros
tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser
muy diferentes. La tensión más elevada que se alcanza en esta región se
denomina límite de fluencia y es el que marca la aparición de este
fenómeno. Pueden existir dos zonas de deformación elástica, la primerarecta y la segunda curva, siendo el límite de proporcionalidad el valor de la
tensión que marca la transición entre ambas. Generalmente, este último
valor carece de interés práctico y se define entonces un límite elástico
(convencional o práctico) como aquél para el que se produce un
alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.). Se obtiene trazando
una recta paralela al tramo proporcional (recto) con una deformación inicial
igual a la convencional
Fluencia o cedencia . Es la deformación brusca de la probeta sin incremento
de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o
los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina
impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se
deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se logra liberar las
dislocaciones produciéndose la deformación bruscamente. La deformación en
este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero
concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las
dislocaciones (bandas de Luders). No todos los materiales presentan este
fenómeno, en cuyo caso la transición entre la deformación elástica y plástica
del material no se aprecia de forma clara.
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Deformaciones plásticas : si se retira la carga aplicada en dicha zona, la
probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando deformada
permanentemente. Las deformaciones en esta región son más acusadas que
en la zona elástica.
Estricción . Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran
en la parte central de la probeta apreciándose una acusada reducción de la
sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones
continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por ese zona. La
estricción es la responsable del descenso de la curva tensión-deformación;
realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se
representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la sección
inicial y cuando se produce la estricción la sección disminuye, efecto que no
se tiene en cuenta en la representación gráfica. Los materiales frágiles no
sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas, rompiéndose la
probeta de forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de
rotura, carga última o resistencia a la tracción: la máxima resistida por la
probeta dividida por su sección inicial, el alargamiento en (%) y la estricción
en la zona de la rotura.
Módulo de resilencia: definimos el módulo de resiliencia, o resiliencia
elástica de un material, a la energía absorbida por este durante la
deformación elástica, la cual puede recuperarse al descargar el material. Este
valor es la energía por unidad de volumen requerida para llevar el material
desde un esfuerzo nulo hasta el valor de esfuerzo de fluencia o limite elástico
s o.
Esfuerzo real: La carga aplicada dividida por el área actual de la sección
transversal a través de la cual opera la carga. Tiene en cuenta el cambio en la
sección transversal que ocurre con la carga que cambia.
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Deformación real: Porcentaje instantáneo de cambio en la longitud de la
probeta en un ensayo mecánico. Es igual al logaritmo natural de la relación de
la longitud en cualquier instante con la longitud original.
Factor de seguridad : es la relación entre la resistencia de una pieza de una
estructura y la tensión que soportará. Por ejemplo, si la pieza es seis veces
más fuerte que la tensión máxima a la que va a estar sometida en todas las
situaciones computadas, el factor de seguridad es 6. En obras públicas se
suelen utilizar factores entre 1,5 y 8; sin embargo, en diseños experimentales
en los que es necesario reducir el peso, pueden utilizarse factores de
seguridad 1 para saber dónde hay que reforzar la estructura. Para establecer
el factor de seguridad necesario, los ingenieros evalúan de muchas maneras
la resistencia de los materiales, establecen tolerancias sobre defectos y
posibles variaciones de calidad y les aplican tensiones intermitentes y
anormales.
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Diagrama de tensión - deformación típico de un acero de bajo límite de fluencia.
Otras características que pueden caracterizarse mediante el ensayo de tracción son
la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, las energías elásticas ytotales absorbidas y que vienen representadas por el área comprendida bajo la
curva tensión-deformación hasta el límite elástico en el primer caso y hasta la rotura
en el segundo.
En este grafico podemos observar como es el proceso de tracción pasando por su
punto de fluencia y llegando al punto de ruptura de una probeta.
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PROCEDIMIENTO
1.-El técnico colocó en la Maquina Amsler el resortede 3000Kg que era el más adecuado para la pruebapuesto que existían resortes de varias magnitudescomo de 1000Kg, 5000Kg,
2.-Después colocamos en la maquina el papelmilimetrado y el lapicero para que en cadamaterial al aplicare la determinada fuerza, ellapicero nos dibuje el diagrama respectivo.
3.-Luego se colocaban en la maquina mordazas con las cualesel metal se cogería mejor, si estas no se colocaban existía laposible de que el metal resbalara y alterara los datos obtenidosen el papel milimetrado, es más el material podría salir volandoy probablemente perjudicando a algún alumno.
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4.-Antes de colocar las probetas en lamaquina medimos sus longitudes y diámetrosiniciales iniciales con la regla de vernier.
5.-Colocamos cada una de las probetas en lamáquina y esta le sometía una carga a los metalesque iba aumentando progresivamente hasta que elmetal pase de tener una deformación elástica a unadeformación plástica donde el metal alcanzaba sucarga máxima, hasta que el metal llegue a la carga deruptura para que después proceda a romperse.
6.-Por ultimo volvíamos a medir las longitudes decada probeta con la regla de vernier y analizábamoscuanto era la variación con respecto a la longitudinicial.
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DATOS RECOGIDOS DEL LABORATORIO
En el experimento realizado del ensayo de tracción realizado en el Laboratorio Nº 4
en donde analizamos los siguientes materiales: acero dulce, acero corrugado,
aluminio, cobre, bronce; obtuvimos los siguientes datos de estos diferentes
materiales.
D. Inicial L.Inicial L.Final D. Final
aluminio 6.25 25.4 31.2 5.64
cobre 6.2 25.4 30.5 5.66
bronce 6.3 25.4 30.7 5.73
acero dulce 6.05 25.4 34.7 5.18
acero corrugado 6.15 25.4 31.6 5.51
A continuación se mostrará los gráficos obtenidos según la máquina de medición de
tracción “Amsler” donde se observa cómo es la variación de la elongación conforme
varíe la carga.
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GRAFICAS OBTENIDAS EN EL L ABORA TORIO
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CÁLCULOS Y RESULTADOS
aluminio 630 720 600cobre 1015 1020 700bronce 860 1250 1250
acero dulce 990 1340 1100acero corrugado 1530 2450 2061
0.04 0.1317 0.2280.0771 0.0771 0.201
0.04613 0.02636 0.2090.0305 0.2592 0.3660.0864 0.17791 0.244
23.47 23.47 19.5633.62 33.78 23.1927.59 40.10 40.1034.44 46.61 38.2651.50 82.47 69.38
0.034 12.2440.077 33.7840.040 23.8680.018 24.365
0.061 51.294
Resilencia Tenacidadaluminio 0.209 427.7129cobre 1.302 1771.1418bronce 0.472 2669.2165acero dulce 0.223 5303.5056
acero corrugado 1.564 23880.4364
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OBSERVACIONES
La máquina cuenta con un reloj, la cual nos indica la carga que se le va
aplicando gradualmente a la probeta, además cuenta con dos manijas una
roja y una negra: la roja se detiene cuando la probeta utilizada se rompe
indicando la carga máxima mientras que la negra regresa a su posición
original.
La longitud de la probeta no se mide de extremo a extremo sino es la longitud
que tiene la parte desgastada.
Al observar las probetas luego de haberles aplicado las carga se ve que en elmaterial más dúctil se forma un cuello de garganta más notable
Se observa en la gráfica que el acero corrugado presenta mayor resistencia
mientras que el aluminio presenta una menor resistencia
Las deformaciones angulares son proporcionales al radio de la muestra,
siendo las mayores deformaciones en la fibra externa de la probeta.
Se observa que a mayor velocidad a la que se utiliza la maquina más difícil es
determinar el punto de fluencia.
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RECOMENDACIONES
Se puede graduar la velocidad con el cual se aplica la carga, pero esrecomendable que la velocidad empleada no sea muy rápida ya que se puede
romper la probeta y los resultados obtenidos en el laboratorio no serían los
esperados. Como sucedió en el primer ensayo donde no se logró distinguir el
punto de máximo con el de ruptura
Es recomendable que el alumno sepa manipular el pie de rey ya que será
usado en el laboratorio
Se recomienda estar preparado para el momento justo de la determinación dela carga máxima ya que este se indica a través del puntero que se encuentra
en el indicador y por un lapso de tiempo.
Se recomienda que los materiales a ensayar no presenten deformación
alguna ya que esto afectaría en los calculo y produciría u porcentaje de error.
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CONCLUSIONES
De las probetas empleadas se concluye que el acero corrugado soporta mayor
carga, mientras que el aluminio no soporta tanta carga.
Comprobamos experimentalmente que en el caso del bronce no existe la
formación del cuello ya que este material presenta propiedades distinta a de
los otros metales.
Concluimos que el material que presenta mayor módulo de Young es el acero
corrugado, mientras que el aluminio presenta menor módulo de Young
Se concluye que los materiales utilizados, en cierto intervalo, cumple con la
ley de Hooke: F=kx.
Concluimos que si analizamos únicamente la gráfica podremos saber cuál es
el material con mayor módulo de Young en función a la pendiente que esté
presente.
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BIBLIOGRAFÍA
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Madrid, España.
Anderson, A. (1998). Ciencia de los Materiales 2da. Ed. , Edit. Limusa; México, México.
Smith, W. (1998). Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales 3ra. Edic. ,
Edit. Mc Graw-Hill, Madrid, España.
Páginas Web:
o www.cedex.es/materiales/ciencias.html