Familiarizar al estudiante de mecánica del solido con las pruebas destructivas de tensión más comunes (página 2)

Generalmente se calculan tres tipos de deformaciones:

– deformación en el límite elástico (ey)

– deformación a la tensión máxima (emax)

– deformación a la rotura (eR)

En la figura 2, se muestran las etapas por las que es sometida la probeta, según las cargas y los cambios de área de sección transversal que van ocurriendo hasta el momento de la falla.

Figura 2. Etapas del ensayo de tensión

Equipo utilizado

Procedimiento

Paso1. Verifique las dimensiones de la probeta según las especificaciones de la Norma ASTM E-8M y marque la sección menos ancha del sector maquinado. También trace dos marcas de referencia que delimitan Lo .

Paso2. Observe el procedimiento de montaje de la probeta en la maquina. Coloque el palpador de caratula de manera que mida el movimiento relativo de las mandíbulas, correspondiente a la deformación de la probeta.

Paso3. La velocidad de carga debe estar entre 0,2 KN/s y 0.5 KN/s y se aplica hasta llegar a la rotura del material. Tome los datos de carga directamente de la maquina cada centésima de pulgada de la deformación hasta llegar a rotura. Anote la fuerza de rotura.

Paso4.Desmonte las piezas rotas y mida el espesor y el ancho de la rotura, así como la nueva longitud de la probeta siguiendo las marcas hechas en el paso 1.

Datos y Resultados

Básicamente, los datos que se tomaron en el laboratorio, corresponden a las elongaciones que produjeron cada una de las fuerzas. Esto con el fin de graficarlos y analizar los comportamientos que tiene el material a lo largo del tiempo que se está aplicando la carga (procurando que la velocidad de aplicación fuera lo más uniforme posible)

Los datos correspondientes a fuerzas-deformaciones, son mostrados en la tabla 1:

Tabla 1. Cargas-deformaciones

Una probeta se caracteriza por las siguientes dimensiones:

Tabla 2. Dimensiones de la probeta, antes y después de la falla.

En la Figura 1 del Anexo, se presenta una probeta con las dimensiones más importantes, estas dimensiones son de utilidad para observar las elongaciones que producen las fuerzas axiales.

Análisis de Resultados

La evaluación del ensayo se realizó a partir de las curvas tensión-deformación. Los parámetros más importantes son tensiones (en N/mm2 o en MPa), Módulo de elasticidad y deformación o alargamiento (en %).

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.

A continuación se presenta la grafica de deformación unitaria contra los esfuerzos, obtenida con los datos recogidos en el laboratorio, esta se aproxima mucho a la grafica teórica.

Cabe destacar que los gráficos que se observan en los libros, son graficas ideales, es decir, que son muy uniformes; lo cual sucede poco en un laboratorio ya que siempre existen muchas fuentes de error como:

• Fallos humanos al tomar las mediciones.

• La velocidad de aplicación de la carga no fue uniforme.

• Inexactitudes al maquinar la probeta

En la curva podemos distinguir dos regiones:

– Zona elástica: La región se encuentra a bajas deformaciones, en este tramo se

cumple la Ley de Hooke.

– Zona plástica: A partir del límite de elasticidad. Se pierde el comportamiento lineal, se pasa de deformación elástica a plástica. Después de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la deformación en los metales aumenta hasta un máximo de 83.256 MPa, y después disminuye hasta que finalmente se produce la ruptura.

Analizando la zona elástica de la curva, es posible calcular el Módulo de Elasticidad (E), debido a que es una relación lineal y se conocen 2 puntos principales como el inicio y el límite de elasticidad, se obtiene que E=7.97GPa.

Al considerar que el material de la probeta es aluminio, se concluye que el valor experimental de E, es muy bajo en comparación con el valor teórico para el cual, E=70GPa. Con una diferencia tan marcada, es claro que la probeta está hecha de un material mucho más frágil, o que la recolección de los datos fue mala.

Al observar el gráfico 1, se obtienen los siguientes datos:

• Limite de elasticidad: 55.850 MPa

• Esfuerzo Ultimo: 83.256 MPa

• Esfuerzo de Ruptura: 82.701 MPa

Otro aspecto a considerar es la región de falla de la probeta (ver Figura 2),

Figura 3. Zona de ruptura de la probeta

A pesar de que solo se hizo una prueba, esta se considera de muy buena calidad, ya que el ángulo que se observa en las secciones transversales que fallaron, es muy próxima a los 45 grados (que es la ideal). Esto indica que la velocidad de aplicación de la carga estuvo en un rango aceptable.

En la figura 3, se muestra la probeta fallada, se observa que la reducción de área ocurrió con mucho más intensidad en la región central de la probeta, ya había mencionado que esto es lo que se busca al hacer mas angosta la sección central, esa consideración se basa en la ecuación (1) de esfuerzos, a menor área se logran mayores esfuerzos y al aumentar los esfuerzos, crecen las deformaciones.

Figura 3. Vista de las secciones de la probeta, luego de ser fallada.

Conclusiones

• 1. Cuando una fuerza externa actúa sobre un material causa un esfuerzo o tensión en el interior del material que provoca la deformación del mismo.

• 2. Cada material se deformará de manera distinta, debido a su estructura molecular.

• 3. El punto de falla en las probetas será en la región de tiene menor área de sección transversal.

• 4. Por debajo del límite de elasticidad, cuando se deja de aplicar la fuerza, las moléculas vuelven a su posición de equilibrio y el material elástico recupera su forma original.

• 5. Se deben seguir las pautas de la Norma ASTM para fabricar las probetas, ya que así se logra estandarizar las condiciones de operación en los laboratorios.

• 6. Es muy complicado llegar a una grafica como la teórica, ya que si no se tiene una maquina graficadora de esfuerzo deformación, es muy difícil que el equipo de trabajo recoja con exactitud los datos.

Recomendaciones

• 1. Se deberían de fallar varias probetas, para observar la diferencia de un ensayo con materiales dúctiles y los frágiles.

• 2. El hecho que un estudiante tenga el control de la velocidad de aplicación de la carga, implica mucho error asociado, ya que no será uniforme a lo largo de la prueba.

• 3. Si no se conoce con exactitud que material se está utilizando en las probetas, se hace muy complicado comparar los valores obtenidos de las propiedades del material, como: modulo de elasticidad, esfuerzo de fluencia, esfuerzo último.

Bibliografía

Beer & Johnston: MECÁNICA DE MATERIALES, Cuarta Edición, Editorial McGraw-Hill

Juan Gabriel Monge: Manual de Laboratorio, MECÁNICA DEL SOLIDO, fotocopias.

Apéndices

Anexos

Figura 1. Dimensionado de una probeta

Tabla 3. Cuadro con los datos recogidos en el laboratorio

Autor:

José Omar López Hernández

Universidad de Costa Rica

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Mecánica

5 de Octubre del 2009