Ensayos de tensión

adriana aristizábal castrillón martha ruth manrique torres

Otros títulos de la colección

Adriana Aristizábal Castrillón Ingeniera Química de la Universidad Pontificia Bolivariana. Magíster en Ingeniería Ambiental y doctora en Ingeniería Química, Ambiental y de

El ensayo de tensión es muy usado en la industria y la investigación para obtener información útil para la selección de materiales, el control de calidad, el

4

diseño de piezas y de herramientas, Fundamentos de ingeniería

la evaluación de fallas de materiales

e investigadora del Departamento de Ingeniería de Procesos de la universidad EAFIT. Entre sus intereses la caracterización y síntesis de materiales y la producción más limpia.

y la determinación de los métodos transformación a productos. En esta cartilla se presentan los principios del ensayo de tensión y el análisis de los datos obtenidos para el cálculo de las diferentes propiedades de los materiales.

También incluye una guía de laboratorio para efectuar ensayos de tensión en el

de los materiales

i Virgili. Actualmente es profesora

de investigación se encuentran

más convenientes en su proceso de

Ensayos y propiedades

Procesos de la Universidad Rovira

Centro de Automatización Industrial (CTAI) de acuerdo con la norma ISO.

Ensayos de tensión

Martha Ruth Manrique Torres Profesora investigadora del Departamento de Ingeniería Industrial de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana.

Licenciada en Mecánica y Dibujo Técnico de la Universidad Pedagógica Nacional y especialista en CNC (Control Numérico Computarizado) del Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA). Es magíster en Educación con énfasis en formación en educación superior de la Pontificia Universidad Javeriana, magíster en Ingeniería Electrónica de la misma universidad y doctora en Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Popular del Estado de Puebla (México). Además, es investigadora del grupo SIRP

ISBN 978-958-781-129-2

(Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción) y del grupo Zentech de la Pontificia Universidad Javeriana.

Ensayos de dureza

9 7 8 -9 5 8 -7 8 1 -1 2 9 -2

9 789587 811292

Ensayos de tensiรณn

Ensayos de tensión ADRIANA ARISTIZÁBAL CASTRILLÓN MARTHA RUTH MANRIQUE TORRES

Facultad de Ingeniería

Reservados todos los derechos

Corrección de estilo:

© Pontificia Universidad Javeriana

Paula Quintero Celis

© Adriana Aristizábal Castrillón

Diagramación:

© Martha Ruth Manrique Torres Primera edición: Bogotá, D. C., noviembre de 2017 ISBN: 978-958-781-129-2 Número de ejemplares: 400

Kilka Diseño Gráfico Impresión: Javegraf Gráficos: Daniel Martín Manrique

Impreso y hecho en Colombia Printed and made in Colombia Editorial Pontificia Universidad Javeriana Carrera 7.ª n.º 37-25, oficina 1301 Edificio Lutaima Teléfono: 320 8320 ext. 4752

Pontificia Universidad Javeriana | Vigilada

www.javeriana.edu.co/editorial

Mineducación. Reconocimiento como

editorialpuj@javeriana.edu.co

Universidad: Decreto 1297 del 30 de mayo

Bogotá, D. C.

de 1964. Reconocimiento de personería jurídica: Resolución 73 del 12 de diciembre de 1933 del Ministerio de Gobierno

Aristizábal Castrillón, Adriana, autora

Ensayos de tensión / Adriana Aristizábal Castrillón, Martha Ruth Manrique Torres.

-- Primera edición. -- Bogotá : Editorial Pontificia Universidad Javeriana, 2017.

44 páginas : ilustraciones, gráficas y tablas; 24 cm Incluye referencias bibliográficas.

ISBN : 978-958-781-129-2

1. CIENCIA DE LOS MATERIALES. 2. ESFUERZOS Y DEFORMACIONES. 3. MANEJO DE MATERIALES. 4. RESISTENCIA DE MATERIALES. I. Manrique Torres, Martha Ruth, autora. II. Pontificia Universidad Javeriana.

CDD 620.11 edición 21 Catalogación en la publicación - Pontificia Universidad Javeriana. Biblioteca Alfonso Borrero Cabal, S.J. inp

01 / 11 / 2017

Prohibida la reproducción total o parcial de este material, sin autorización por escrito de la Pontificia Universidad Javeriana.

Contenido

Ensayo de tensiรณn Prรกctica de ensayo de tensiรณn

9 29

Referencias 43

Ensayo de tensión

El ensayo de tensión es un ensayo mecánico de materiales que se usa en la industria y en la investigación para determinar propiedades mecánicas e información relacionada con la resistencia, ductilidad y tenacidad de los materiales que sufren un esfuerzo de tensión uniaxial. Este ensayo es usado para obtener información útil para selección de materiales, control de calidad, diseño de piezas y de herramientas, evaluar causas de fallas de materiales, etc.; se le puede realizar a la materia prima usada en la industria, como el alambrón, o a piezas, como una leva. Para ello se debe tomar un pedazo del material de la pieza o materia prima y mecanizarlo en geometrías definidas para su análisis. Las muestras del material que se analizan en los ensayos se les llaman probetas. La probeta debe tener su geometría definida, aunque puede variar según las indicaciones de las diferentes normas, como se muestra en la figura I, en el caso de alambres de diferentes secciones transversales [1], [2].

El ensayo de tensión consiste en aprisionar una probeta de material de geometría definida entre unas mordazas para aplicarle una fuerza de tensión que va incrementando gradualmente con el fin de elongar la probeta hasta romperla (es un ensayo de tipo destructivo).

Al iniciar la prueba, la probeta es marcada con una longitud inicial (lo), que cambia durante el ensayo, ya que esta se estira [3].

Ensayo de tensión | 9

Figura I. Longitud lo de la probeta durante el ensayo A0

A0

A0

l0

Durante el ensayo se registran datos de fuerza y longitud entre marcas de la probeta de manera automática hasta que esta se rompe.

Una vez se realiza el ensayo, se tienen los datos de fuerza contra elongación de la probeta [4].

En el ensayo de tensión la carga o fuerza debe aplicarse en sentido uniaxial (en el sentido del eje) y las mordazas solo deben agarrar la probeta de una sección diferente de la que se usa para medir la longitud lo de la probeta durante el ensayo (figura I). La velocidad de prueba debe asegurar que los sistemas de medida de fuerza y distancia registren las mediciones de forma precisa. Para asegurarse de que el esfuerzo aplicado es de tensión axial, la probeta debe estar alineada con las mordazas que la sujetan y así se evita aplicar esfuerzos diferentes sobre el espécimen [5].

Ejemplo 1: se tiene una probeta de alambre de aluminio con las características presentadas en la tabla I. A esta probeta se le realizó un ensayo, y en la figura II se observan las deformaciones que sufrió durante el ensayo de tensión hasta que se rompió.

10 | Ensayos de tensión

Tabla I. Datos de la probeta usada en el ensayo de tensión Datos de la probeta

Valor

Material

Aluminio

Geometría

Cilíndrica sección circular

Diámetro medio (mm)

6,346

Ao (mm2)

31,63

lo (mm)

63,5

ltotal (mm)

150

Figura II. Deformaciones de la probeta de alambre de aluminio

Una vez se realizó el ensayo de tensión a la probeta descrita anteriormente, el equipo reportó los datos de longitud de la probeta y fuerza aplicada en el tiempo, estos datos pueden observarse en la tabla II. Tabla II. Datos de un ensayo de tensión de una probeta de alambre de aluminio Tiempo

Elongación (Dl) (mm)

Fuerza (kN)

0

0,00

0,00

10

0,30

0,47

20

0,63

1,23

30

0,97

2,15

40

1,30

3,12

50

1,63

4,15

60

1,96

5,47 Continúa

Ensayo de tensión | 11

Tiempo

Elongación (Dl) (mm)

Fuerza (kN)

70

2,30

6,68

80

2,63

7,84

90

2,96

8,86

100

3,30

9,26

110

3,63

9,38

120

3,96

9,44

130

4,30

9,50

140

4,63

9,56

150

4,97

9,61

160

5,30

9,66

170

5,63

9,72

180

5,96

9,76

200

6,63

9,84

210

6,96

9,87

220

7,30

9,91

230

7,63

9,95

240

7,96

9,98

250

8,30

10,01

260

8,63

10,04

270

8,96

10,06

280

9,30

10,07

290

9,63

10,09

300

9,97

10,10

310

10,30

10,11

320

10,63

10,12

330

10,97

10,13

350

11,63

10,14 Continúa

12 | Ensayos de tensión

Tiempo

Elongación (Dl) (mm)

Fuerza (kN)

360

11,96

10,13

370

12,30

10,12

380

12,63

10,11

390

12,96

10,10

400

13,30

10,06

410

13,63

9,92

420

13,97

9,65

430

14,30

9,28

440

14,63

8,83

450

14,96

8,29

460

15,30

7,65

470

15,63

6,87

Análisis de datos del ensayo de tensión A partir de los datos de fuerza y elongación se debe calcular el esfuerzo ingenieril (σ) y la deformación ingenieril (ε) por cada dato medido durante el ensayo. No se trabaja directamente con fuerza y longitud de la probeta porque la fuerza necesaria para elongar o estirar la probeta depende de la geometría de esta. Por lo tanto, analizar datos de fuerza contra longitud no permite calcular las propiedades mecánicas del material sino las propiedades de la probeta ensayada. Para eliminar este factor geométrico, se calcula el esfuerzo (que es dado por la relación entre la fuerza de tensión y el área de la probeta, que es perpendicular al esfuerzo) y la deformación unitaria o elongación (que expresa la proporción en la que se estiró la probeta en la prueba en referencia a su longitud inicial).

El esfuerzo ingenieril y la deformación ingenieril se definen como [6]:

F v=A .

0

Ensayo de tensión | 13

Donde: σ: esfuerzo ingenieril.

F: fuerza aplicada a la probeta. Incrementa durante el ensayo.

Ao: promedio del área transversal inicial de la probeta (área perpendicular a la fuerza aplicada).

f=

l - l 0 Tl . l0 = l0

Donde: ε: deformación ingenieril o extensión (debe ser la longitudinal). lo: longitud inicial de la probeta entre marcas. l: longitud de la probeta entre marcas al aplicar un esfuerzo.

La deformación también puede expresarse como un porcentaje de deformación longitudinal de la probeta, se obtiene multiplicando por 100 los valores calculados.

En la tabla III se encuentran los datos de esfuerzo ingenieril (σ) y la deformación ingenieril (ε), que corresponden a los valores de fuerza y elongación en la tabla II. El modelo de cálculo del esfuerzo y deformación es el siguiente: Como la probeta es de sección circular entonces el área perpendicular a la fuerza es el área de un círculo: 2 A0 = r 4 ∙ (6,346 mm) ,

A 0 = 31,63 mm2.

Luego, con el área perpendicular y con los datos de fuerza de la tabla II se calculan los esfuerzos para cada punto, considerando que 1 MPa = 1 N/mm2. Para el caso de F= 0,47 kN:

v=

0,47 kN 1000 N , 31,63 mm2 1 kN

v = 14,7 MPa .

La deformación ingenieril se calcula como:

0,3 mm f = 63,5 mm . ε = 0,47, o de manera porcentual sería 47%.

14 | Ensayos de tensión

La tabla III presenta los datos calculados de esfuerzo contra deformación para los datos del ejemplo 1.

Tabla III. Datos de esfuerzo contra deformación de un ensayo de tensión de una probeta de aluminio Tiempo

Elongación (mm)

Fuerza (kN)

Deformación

Deformación (%)

Esfuerzo (MPa)

0

0,00

0,00

0,0000

0,00

0,1

10

0,30

0,47

0,0047

0,47

14,7

20

0,63

1,23

0,0100

1,00

38,9

30

0,97

2,15

0,0152

1,52

67,8

40

1,30

3,12

0,0204

2,04

98,8

50

1,63

4,15

0,0257

2,57

131,3

60

1,96

5,47

0,0309

3,09

172,9

70

2,30

6,68

0,0362

3,62

211,1

80

2,63

7,84

0,0414

4,14

247,8

90

2,96

8,86

0,0467

4,67

280,2

100

3,30

9,26

0,0520

5,20

292,8

110

3,63

9,38

0,0572

5,72

296,4

120

3,96

9,44

0,0624

6,24

298,6

130

4,30

9,50

0,0677

6,77

300,4

140

4,63

9,56

0,0729

7,29

302,2

150

4,97

9,61

0,0782

7,82

303,9

160

5,30

9,66

0,0834

8,34

305,5

170

5,63

9,72

0,0886

8,86

307,2

180

5,96

9,76

0,0939

9,39

308,7

200

6,63

9,84

0,1044

10,44

311,2

210

6,96

9,87

0,1097

10,97

312,0

220

7,30

9,91

0,1149

11,49

313,2

230

7,63

9,95

0,1202

12,02

314,5 Continúa

Ensayo de tensión | 15

Tiempo

Elongación (mm)

Fuerza (kN)

Deformación

Deformación (%)

Esfuerzo (MPa)

240

7,96

9,98

0,1254

12,54

315,6

250

8,30

10,01

0,1307

13,07

316,5

260

8,63

10,04

0,1359

13,59

317,3

270

8,96

10,06

0,1412

14,12

318,0

280

9,30

10,07

0,1464

14,64

318,5

290

9,63

10,09

0,1516

15,16

319,0

300

9,97

10,10

0,1569

15,69

319,4

310

10,30

10,11

0,1622

16,22

319,8

320

10,63

10,12

0,1674

16,74

320,0

330

10,97

10,13

0,1727

17,27

320,1

350

11,63

10,14

0,1832

18,32

320,6

360

11,96

10,13

0,1884

18,84

320,3

370

12,30

10,12

0,1936

19,36

320,0

380

12,63

10,11

0,1989

19,89

319,8

390

12,96

10,10

0,2042

20,42

319,4

400

13,30

10,06

0,2094

20,94

317,9

410

13,63

9,92

0,2147

21,47

313,6

420

13,97

9,65

0,2199

21,99

305,2

430

14,30

9,28

0,2252

22,52

293,5

440

14,63

8,83

0,2304

23,04

279,2

450

14,96

8,29

0,2357

23,57

262,2

460

15,30

7,65

0,2409

24,09

241,9

470

15,63

6,87

0,2462

24,62

217,1

Los datos de esfuerzo ingenieril contra deformación ingenieril se deben graficar para obtener la curva, de la cual se calculan las siguientes propiedades mecánicas: límite elástico (σy), resistencia a la tracción (Rm), resistencia a la ruptura (Rf), módulo de elasticidad (E), coeficiente de Poisson (µ), módulo de resiliencia (Er), tenacidad a la tensión, porcentaje de elongación (A) y porcentaje de estricción (Z). La gráfica correspondiente a la probeta de aluminio se presenta en la figura III.

16 | Ensayos de tensión

Referencias

[1] ASTM E8/E8M – 13a. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, E8/E8M, 2013.

[2] ISO 6892-1:2016. Metallic materials – Tensile testing – Part 1: Method of test at room temperature, 6892-1:2016, 2016.

[3] NTC 2. Siderurgia. Ensayo de Tracción para Materiales Metálicos. Método de Ensayo a Temperatura Ambiente, 2, 1995.

[4] NTC 3353. Siderurgia. Definiciones y Métodos para los Ensayos Mecánicos de Productos de Acero, 3353, 1997.

[5] ASTM 370 -14 :1995. Standard Test Methods and definitions for Mechanical Testing of Steel Products, 370-14, 1995.

[6] J. Newell. Ciencia de materiales: aplicaciones en ingeniería. 1.ª ed. México: Alfaomega, 2011.

[7] D. Askeland. Ciencia e ingeniería de los materiales. 4.ª ed. España: Paraninfo, 2001.

[8] W. Smith. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. 3.ª ed.

España: McGraw Hill, 2004.

[9] Operation Instruction of Digital Display Microhardness tester Model HVS-1000A. Bulut Makina. Istanbul.

[10] ASTM E6:09b. Standard Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing. E6:09b, 2009.

Referencias | 43

Ensayos de tensiรณn Se terminรณ de imprimir en diciembre de 2017, en los talleres de Javegraf, Bogotรก, D. C., Colombia.

Compuesto con tipos Melior e impreso en papel bond blanco de 70 gramos.

adriana aristizábal castrillón martha ruth manrique torres

Otros títulos de la colección

Adriana Aristizábal Castrillón Ingeniera Química de la Universidad Pontificia Bolivariana. Magíster en Ingeniería Ambiental y doctora en Ingeniería Química, Ambiental y de

El ensayo de tensión es muy usado en la industria y la investigación para obtener información útil para la selección de materiales, el control de calidad, el

4

diseño de piezas y de herramientas, Fundamentos de ingeniería

la evaluación de fallas de materiales

e investigadora del Departamento de Ingeniería de Procesos de la universidad EAFIT. Entre sus intereses la caracterización y síntesis de materiales y la producción más limpia.

y la determinación de los métodos transformación a productos. En esta cartilla se presentan los principios del ensayo de tensión y el análisis de los datos obtenidos para el cálculo de las diferentes propiedades de los materiales.

También incluye una guía de laboratorio para efectuar ensayos de tensión en el

de los materiales

i Virgili. Actualmente es profesora

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más convenientes en su proceso de

Ensayos y propiedades

Procesos de la Universidad Rovira

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Ensayos de tensión

Martha Ruth Manrique Torres Profesora investigadora del Departamento de Ingeniería Industrial de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana.

Licenciada en Mecánica y Dibujo Técnico de la Universidad Pedagógica Nacional y especialista en CNC (Control Numérico Computarizado) del Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA). Es magíster en Educación con énfasis en formación en educación superior de la Pontificia Universidad Javeriana, magíster en Ingeniería Electrónica de la misma universidad y doctora en Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Popular del Estado de Puebla (México). Además, es investigadora del grupo SIRP

ISBN 978-958-781-129-2

(Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción) y del grupo Zentech de la Pontificia Universidad Javeriana.

Ensayos de dureza

9 7 8 -9 5 8 -7 8 1 -1 2 9 -2

9 789587 811292