DIMEC | INFORME DE LABORATORIO
Ensayo de Tracción
Resistencia de Materiales
Autor:
Joaquin Osorio
Profesor:
Bernardo Garate
Carrera:
Ingeniería Civil en Mecánica
Modalidad:
Presencial
Sección:
L-3
Fecha de la
experiencia:
19-10-2024
DIMEC | INFORME DE LABORATORIO
Tabla de contenido
Contenido
1.
Resumen ........................................................................................................................................................................ 1
2.
Objetivos ......................................................................................................................................................................... 1
3.
2.1.
Objetivos Generales ..................................................................................................................................... 1
2.2.
Objetivos Específicos .................................................................................................................................. 1
Características técnicas de equipos e instrumentos .......................................................................... 3
3.1.
Equipos de laboratorio ............................................................................................................................... 3
4.
Metodología experimental .................................................................................................................................. 4
5.
Presentación de datos .......................................................................................................................................... 5
6.
Presentación de Resultados ............................................................................................................................. 5
7.
Análisis y Conclusión .......................................................................................................................................... 10
8.
Apéndice .......................................................................................................................................................................11
1
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1. Resumen
El presente informe detalla la experiencia de ensayo de tracción uniaxial de probetas de latón y
acero, realizadas con la máquina Instron. Se llevaron a cabo mediciones iniciales y finales de
dimensiones, permitiendo el cálculo de parámetros mecánicos cruciales. Los resultados
evidencian que el acero presenta un límite elástico y un esfuerzo máximo considerablemente
superiores al latón, indicando su mayor resistencia. Sin embargo, el latón exhibe un alargamiento
promedio un 71,4% mayor y una reducción de área un 7,3% superior al acero, lo que señala una
notable ductilidad.
Las diferencias en los módulos elásticos son notables: el acero presentó un valor de 29,59 GPa,
muy por debajo del teórico de 200 GPa, mientras que el latón arrojó 24,78 GPa frente a un teórico
de 90 GPa. Estas discrepancias sugieren que las condiciones de medición y la calidad de los
materiales pueden haber influido en los resultados. La experiencia subraya la importancia de la
metrología precisa y la selección adecuada de materiales en aplicaciones estructurales,
reforzando la relevancia de la teoría de la resistencia de materiales en el análisis de
comportamiento mecánico.
2. Objetivos
2.1. Objetivos Generales
i.
Desarrollar habilidades prácticas y teóricas en el ensayo de tracción uniaxial para
evaluar propiedades mecánicas de los materiales como el acero y el latón, esto ensayos
son aplicados para verificar la resistencia y calidad del material.
2.2. Objetivos Específicos
i.
Identificar y comprender el funcionamiento de las maquinas de ensayo de tracción, en
este caso la maquina instron utilizada en el laboratorio, observando su procedimiento
operativo y componentes.
ii.
Experimentar con conceptos claves como esfuerzo, deformación, elongación, y analizar
el comportamiento mediante un gráfico de fuerza-alargamiento en situación de carga.
iii.
Analizar y medir parámetros de esfuerzo, tales como el esfuerzo máximo y el esfuerzo
de ruptura, observando las características de cada material y su comportamiento hasta
la fractura.
2
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iv.
Observar y calcular la deformación en puntos específicos del ensayo, contrastando la
teoría con los datos obtenidos en la experiencia.
v.
Calcular el modulo de elasticidad de las probetas ensayadas, entendiendo su relevancia
en la evaluación de la rigidez de los materiales.
3
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3. Características técnicas de equipos e instrumentos
3.1. Equipos de laboratorio
A continuación, los equipos utilizados en la experiencia:
Instrumentos
Descripción
Maquina Instron modelo 3343:
•
Velocidad de ensayo: 2 [mm/min]
•
Componentes principales: Mordazas
para sujetar las probetas, sistema de
medición de desplazamiento y carga,
panel de control con parada de
emergencia y ajustes de velocidad.
•
Capacidad de carga: 1 [kN]
Probetas para el Ensayo de Tracción:
•
Materiales: Dos probetas de latón y
dos de acero, cada una preparada bajo
normas
estándar
para
asegurar
consistencia en el ensayo.
•
Dimensiones típicas: La longitud y el
diámetro inicial de cada probeta se
miden antes del ensayo para evaluar
cambios durante el proceso.
•
Forma de la sección transversal:
Generalmente
cilíndrica,
diseñada
para distribuir de manera uniforme el
esfuerzo aplicado.
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Pie de metro análogo:
Instrumento utilizado para medir diámetro y
largo de las probetas.
•
Error de medición: ±0,05[mm]
•
Rango: 0 – 150 [mm]
4. Metodología experimental
a. Medición inicial de las probetas:
Se comenzó la experiencia realizando las mediciones iniciales de las probetas, registrando
su largo y diámetro iniciales mediante el pie de metro para garantizar precisión en los datos.
Esta información inicial es esencial para cálculos posteriores de deformación y esfuerzos
aplicados.
b. Introducción a la máquina de ensayo:
Antes de realizar el ensayo, el profesor brindo una explicación sobre la máquina de ensayo
y sus componentes, las mordazas, el sistema de medición de carga y desplazamiento, y el
panel de control. Se nos detalló como realizar la correcta sujeción de la probeta y la
importancia de seguir los estándares.
c. Ensayo de Tracción:
Cada probeta fue colocada en la máquina y sometida a una velocidad de carga constante
de 2 mm/min. A través de una aplicación de adquisición de datos conectada a la Instron, se
registraron los valores de alargamiento en función de la carga aplicada. Estos datos
permitieron generar el diagrama de esfuerzo versus deformación para cada material (latón y
acero) en tiempo real.
d. Medición Final de las Probetas:
Al finalizar cada ensayo, se continuó la tracción hasta alcanzar la fractura de la probeta.
Posteriormente, se midieron nuevamente el largo y el diámetro final de cada probeta para
evaluar las deformaciones finales y contrastar los datos iniciales y finales, lo que facilitó el
análisis de las propiedades mecánicas y el comportamiento de cada material bajo tensión.
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5. Presentación de datos
Se presentan los datos de cada probeta antes de realizar el ensayo:
Material
Diámetro inicial [mm]
Largo inicial [mm]
Área Inicial [mm^2]
Latón 1
5,1
69,4
20,43
Latón 2
5,12
68,8
20,59
Acero 1
5,04
70,74
19,95
Acero 2
5,08
69
20,27
Tabla 1. Mediciones iniciales probetas
Mediciones posteriores al ensayo:
Material
Diámetro Final [mm]
Largo Final [mm]
Área Final[mm^2]
Latón 1
4,3
78,42
14,52
Latón 2
4,34
77,8
14,79
Acero 1
4,36
73,03
14,93
Acero 2
4,32
71,9
14,66
Tabla 2. Mediciones finales probetas
6. Presentación de Resultados
Los resultados obtenidos en el ensayo de tracción de las probetas de latón y acero permitieron
analizar sus propiedades mecánicas en términos de resistencia, ductilidad, y deformación. Durante
cada ensayo, se registraron los valores de carga aplicada y alargamiento, los cuales se usaron para
calcular el esfuerzo y la deformación en función de los datos iniciales y finales de cada probeta. A
continuación, se presenta un resumen de los principales hallazgos.
En primer lugar, se obtuvo el alargamiento, la reducción porcentual del área de cada probeta y el
aumento porcentual de sus respectivas longitudes.
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Reducción de área
Aumento de
[%]
Longitud [%]
9,02
28,91
12,997
Latón 2
9
28,15
13,081
Promedio
9,01
28,53
13,039
Acero 1
2,29
25,16
3,237
Acero 2
2,9
27,68
4,203
Promedio
2,595
26,42
3,720
Material
Alargamiento[mm]
Latón 1
Tabla 3. Alargamiento, variación de área y longitud
Luego se determinan las diferentes cargas de proporcionalidad(pp), carga máxima y carga de ruptura
de cada ensayo.
Material
Carga pp[N]
Carga máxima [N]
Carga ruptura [N]
Latón 1
5.786,21
9.804,73
9.272,30
Latón 2
6.321,24
9.872,7
9.249,64
Acero 1
14.751,98
20.719,64
17.643,98
Acero 2
14.155,26
20.481,74
17.774,26
Tabla 4. Cargas/fuerzas de proporcionalidad, máxima y de ruptura
Con los datos de la tabla 4 se pueden realizar los respectivos cálculos de los esfuerzos de
proporcionalidad, máximo, de ruptura nominal, de ruptura verdadero y el módulo elástico.
Esfuerzo de
Material
proporcionalidad
[MPa]
Esfuerzo máximo
Esfuerzo de ruptura Esfuerzo de ruptura
Modulo
[MPa]
nominal [MPa]
verdadero [MPa]
elástico [GPa]
Latón 1
283,25
479,96
453,90
638,50
26,03
Latón 2
307,02
479,52
449,26
625,25
23,54
Acero 1
739,43
1.038,56
884,39
1.181,77
30,47
Acero 2
698,39
1.010,53
876,95
1.212,65
28,72
Tabla 5. Esfuerzos y Modulo elástico
También se determinó el límite elástico y el esfuerzo de fluencia.
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Material
Limite elástico [MPa]
Esfuerzo de
fluencia [MPa]
Latón 1
358,77
368,44
Latón 2
351,31
381,90
Acero 1
791,46
780,87
897,50
909,96
Acero 2
Tabla 5. Limite elástico y esfuerzo de fluencia
Con los datos obtenidos se determino un promedio para cada material de los esfuerzos y modulo
elástico.
Material
Latón
Esfuerzo de
proporcionalidad
[MPa]
295,14
Acero
Esfuerzo máximo
[MPa]
Esfuerzo de ruptura Esfuerzo de ruptura
nominal
verdadero
479,74
451,58
Modulo
elástico [GPa]
631,88
24,78
718,91
1.024,54
880,67
1.197,21
Tabla 6. Promedio Esfuerzos y modulo elástico de cada material
29,59
Los gráficos de Fuerza v/s Alargamiento de cada probeta:
Latón 1: Fuerza vs Alargamiento
12.000,0000
10.000,0000
Fuerza [N]
8.000,0000
6.000,0000
4.000,0000
2.000,0000
0,0000
0,0000
2,0000
4,0000
6,0000
8,0000
Alargamiento [mm]
Grafico 1. Fuerza v/s alargamiento Latón 1
10,0000
12,0000
8
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Latón 2: Fuerza vs Alargamiento
12.000,0000
10.000,0000
8.000,0000
6.000,0000
4.000,0000
2.000,0000
0,0000
0,0000
2,0000
4,0000
6,0000
8,0000
10,0000
12,0000
Grafico 2. Fuerza v/s alargamiento Latón 2
Acero 1: Fuerza v/s Alargamiento
25.000,0000
Carga [N]
20.000,0000
15.000,0000
10.000,0000
5.000,0000
0,0000
0,0000 0,5000 1,0000 1,5000 2,0000 2,5000 3,0000 3,5000 4,0000 4,5000 5,0000
Alargamiento [mm]
Grafico 3. Fuerza v/s Alargamiento Acero 1
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Acero 2: Fuerza vs Alargamiento
25.000,0000
Carga [N]
20.000,0000
15.000,0000
10.000,0000
5.000,0000
0,0000
0,0000 0,5000 1,0000 1,5000 2,0000 2,5000 3,0000 3,5000 4,0000 4,5000 5,0000
Alargamiento [mm]
Grafico 4. Fuerza v/s Alargamiento Acero 2
Y para finalizar se obtiene la tenacidad.
Material
Latón 1
Latón 2
Acero 1
Tenacidad[J/m^3]
65.194,57
61.924,08
51.973,57
49.178,34
Acero 2
Tabla 7. Tenacidades- área bajo la curva
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7. Análisis y Conclusión
Análisis comparativo de entre resultados
Al realizar una comparación con resultados obtenidos de las probetas de acero y latón, se puede
determinar que el acero muestra un límite elástico y un esfuerzo máximo considerablemente superior
al latón (Tabla 5). El alargamiento promedio del latón es un 71,4% más grande que en el acero al
igual que en la reducción de área el latón presenta un 7,3% más que el acero lo cual indica una
mayor ductilidad en comparación con el acero. Esta diferencia mecánicamente sugiere que el latón
tiene un uso útil cuando se requiere deformar el material sin intenciones de llegar a la fractura,
mientras que el acero es preferido en estructuras críticas que requieren soportar cargas elevadas.
Las diferencias cuantitativas de la tabla 6 respaldan que el acero se debe hacer uso en aplicaciones
donde la resistencia sea un fundamental.
Análisis comparativo a la literatura técnica
Los resultados obtenidos reflejan cierta discrepancia con los valores teóricos establecidos, esto se
puede ver notablemente en el módulo elástico primero con el acero el cálculo es de 29,59 [GPa],
mientras que el valor teórico es de generalmente 200 [GPa], esta diferencia tan significativa nos
indica que, podría haber condiciones no adecuadas en las mediciones o variaciones en el proceso
de fabricación del material que afecta su rendimiento. Ya que los resultados estén por debajo de la
expectativa teórica implica que el acero no puede comportarse como se espera.
En el caso del latón se obtuvo un valor de 24,78 [GPa] en comparación con el valor teórico que
generalmente se encuentra en 90 [GPa]. Se presenta una diferencia considerable que indica que la
calidad de la aleación del latón no era de calidad, nos indica que el comportamiento del latón es
menos resistente de lo que dice la teoría.
Estas diferencias entre los valores enfatizan en la necesidad de evaluar las condiciones de los
materiales, además de tener en cuenta las condiciones en las que se realizan los ensayos y sus
respectivos procedimientos como toma de datos en el cual se pueden cometer errores.
Análisis de teoría
Se sustenta en teoría de la resistencia de los materiales, que el módulo elástico del acero es mayor
que la del latón, lo que concuerda con que el acero menor deformación elástica bajo cargas similares.
Además, el límite elástico se confirma que el acero presenta valores superiores que el latón, lo que
valida de que los materiales mas duros tienen limite elástico mas alto. Esto indica que los modelos
que predicen el comportamiento de los materiales son aplicables y validos que se sostienen en la
práctica.
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Análisis de la experiencia y aporte personal
Sobre la experiencia del ensayo de tracción, es evidente señalar que la medición precisa es crucial
para obtener datos confiables. La diferencia del comportamiento dúctil del latón en comparación al
acero resalta la importancia de seleccionar el material adecuado para diferentes aplicaciones, y
resalta la relevancia de las propiedades de los materiales al momento de diseñar. Personalmente la
metrología en este tipo de ensayos mecánicos es vital para garantizar la precisión en los resultados.
Cada material posee un contexto especifico donde se desarrolla de manera óptima, lo cual permite
reflexionar sobre la importancia de la selección de los materiales, en un punto de vista técnico.
8. Apéndice
Marco Teorico
La ley de Hooke relaciona la fuerza axial P aplicada, la longitud L de la probeta, la sección transversal
A, el módulo elástico E del material y la elongación ΔL correspondiente a una longitud inicial Lo. Así,
se puede expresar mediante la siguiente ecuación:
𝜎 = 𝐸𝜀
Donde E es el módulo de Young 𝐸 = 𝑃⋅𝐿0 /𝐴0⋅𝛥𝐿 σ es el esfuerzo aplicado 𝜎 = 𝑃 /𝐴0, y ε es la
deformación unitaria, 𝜀 = 𝛥𝐿 /𝐿0 .
- Esfuerzo: Carga aplicada sobre una determinada área con el fin de deformar el material. En el
sistema internacional se mide en [Pa]. Existen 2 tipos de esfuerzo ellos son: Esfuerzo normal y
cortante.
- Esfuerzo normal: Fuerza por unidad de área cuando esta fuerza es perpendicular al área
transversal en cuestión.
- Esfuerzo cortante: Fuerza aplicada sobre una determinada área, la fuerza que se aplica debe ser
tangencial a la superficie de aplicación.
- Deformación: Medida adimensional que representa la razón entre el alargamiento y su longitud
inicial. La deformación puede ser ingenieril o real, la principal diferencia entre ambas es que la
ingenieril sólo considera la relación con el largo inicial mientras que la deformación real considera el
área instantánea.
- Límite de proporcionalidad: Corresponde al esfuerzo máximo que el material puede conseguir
dentro de su rango elástico.
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- Zona elástica (región lineal): Es la región en donde si se retira la carga, el material regresará a su
forma original. Esta zona presenta una relación lineal entre la tensión y la deformación, donde tiene
aplicación la ley de Hooke y su pendiente en este tramo es el módulo de Young.
- Zona plástica: En esta zona el cuerpo sometido a esfuerzo normal, su comportamiento ya no se
puede modelar mediante una recta, si se retira la carga el cuerpo no recupera su forma inicial. Esfuerzo de fluencia: Es la región donde el material se comporta plásticamente, y que va fluctuando
alrededor de un valor promedio llamado límite de fluencia.
- Esfuerzo de ruptura: es el valor del esfuerzo que se consigue en el punto de ruptura de la probeta.
- Resistencia: Cantidad de carga que logra soportar un material sin fractura. - Tensión nominal:
Medida utilizada en ingeniería de materiales para describir el esfuerzo aplicado a un material,
tomando como referencia el área original de la sección transversal antes de que ocurra cualquier
deformación significativa.
- Deformación real: Medida que describe el cambio relativo de longitud de un material durante la
deformación.
- Tensión real: se define por la razón entre la fuerza axial P y la sección transversal Ao.
La formulas utilizadas fueron:
𝐸=
𝐿0 ∗ 𝐶𝑝𝑝
𝐴0 ∗ 𝛿𝑝𝑝
𝜎𝑝𝑝 =
𝐶𝑝𝑝
𝐴0
𝜎𝑚𝑎𝑥 =
𝐶𝑚𝑎𝑥
𝐴0
𝜎 𝑟𝑢𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 =
𝜎 𝑟𝑢𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙 =
𝜎 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =
𝜎 𝑙𝑖𝑚𝑒𝑡𝑒 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 =
𝐶𝑟 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙
𝐴0
𝐶𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙
𝐴𝑓
𝐶 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝐴0
𝐶 𝑙𝑖𝑚𝑒𝑡𝑒 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜
𝐴0