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