LABORATORIO DE MATERIALES II, ITCR 1

Ensayo de traccionKarina Fallas, Walter Morales, Stuar Tencio

Abstract—The tensile test is a fundamental test in materialscience, this test is useful for quality control, select a materialfor a specific function, and others. In this paper we discussabout the theoretical fundaments of the test, they calculated anddiscuss the results of a series of test involving some materialslike a Nylon (synthetic polymer), two types of cables and steel(AISI 1020).

El ensayo de traccion es una prueba fundamental en la cienciade los materiales, esta prueba es util para el control de calidad,seleccionar un material para una funcion especıfica, y otros. Eneste trabajo se discute acerca de los fundamentos teoricos de laprueba, se calculan y analizan los resultados de una serie depruebas tomando en cuenta algunos materiales como el nylon(polımero sintetico), dos tipos de cables y acero (AISI 1020).

Index Terms—Traccion, Deformacion, Elasticidad, Plasticidad,Estriccion

I. INTRODUCCION

EL ensayo de traccion consiste en someter una probeta,a una carga axial durante un tiempo dado, el tiempo en

que la prueba termina se da cuando se produce un fallo enla probeta, el objetivo de realizar dicho ensayo es obtenerinformacion sobre las propiedades mecanicas del materialpuesto a prueba. Del grafico tension-deformacion (Figura 1)el cual se genera automaticamente por el equipo utilizado, sepueden obtener datos de manera directa.

FIGURA 1. Grafico tension-deformacion obtenido en un ensayo de traccionestandar.

La primera zona de la curva se conoce como zona elastica, yesta presenta un comportamiento lineal, la pendiente de dicharecta fısicamente representa el Modulo de Young o modulode elasticidad. La segunda zona, la cual corresponde a la zonade fluencia es cuando se produce una deformacion abrupta dela probeta, sin que en el proceso medie un incremento de lacarga, esto se da debido al bloqueo de las dislocaciones de lared cristalina, lo cual impide su deslizamiento. En la tercerazona se producen las deformaciones plasticas, en este sitio laprobeta no recupera su longitud original, es decir la probetaha quedado deformada permanentemente, debido a un cambioirreversible en su estructura interna. Despues de alcanzar lamaxima tension se llega a la fractura, en esta zona es dondese produce la conocida estriccion, en este punto las cargas seconcentran en el centro de la probeta, resultando esto en unadisminucion de su area transversal hasta que la tension no essoportada y por ende se produce la esperada ruptura y con elloel final del ensayo. A partir de las mediciones directas de lalongitud de la probeta antes y despues del ensayo, ası tambiencomo la obtencion de su area transversal antes y despues desu ruptura, se pueden obtener cantidades fısicas importantesmediante la aplicacion de calculos sumamente simples. Entrelos datos que interesa obtener esta la estriccion:

A0 −Af

A0= Estriccion (1)

nos indica que tanto se redujo porcentualmente el areatransversal de la probeta con respecto a su valor inicial, dondeA0 representa el area inicial y Af el area final de la secciontransversal de la probeta. Otro valor importante a obtener esla elongacion:

lf − lili

= e (2)

esta nos indica; que tanto el material se elongo porcentual-mente, donde lf representa la longitud final de la probeta y l0su longitud inicial.

La resistencia maxima de tension se obtiene mediante:Fm

Ai= σ (3)

donde Fm representa la fuerza maxima que se obtiene dela curva tension-deformacion, este parametro nos indica quetanto resiste el material con respecto a el valor inicial de suarea.

Por ultimo la resistencia a la rotura real y nominal se calcularespectivamente de la siguiente forma:

Fr

Ai= σr (4)

Fr

Af= σn (5)

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donde Fr corresponde a la fuerza de rotura y se obtiene de lacurva tension-deformacion, este valor esta representado por elultimo aplicado durante el ensayo.

II. MATERIALES Y METODOS

• Maquina Universal para ensayos mecanicos.• Probetas estandarizadas.• Pie de Rey (Vernier).Inicialmente se realizan mediciones de la longitud de las

probetas estandarizadas: Cables, Tornillos Acero AISI 1020y del polımero (nylon) esto con ayuda del instrumento demedicion llamado Vernier. Luego la probeta es colocada enla Maquina Universal para ensayos mecanicos, por lo quees necesario ajustar las medidas de velocidad y carga en lacomputadora, seguidamente inicia el ensayo y se observanlas deformaciones que ocurren. Finalmente la probetacambia su longitud por lo que es necesario realizar nuevasmediciones como el diametro, para obtener el area transversal.

III. ANALISIS Y RESULTADOS

El ensayo de tension con parametros definidos por laASTM E 8M-00b permite realizar las comparaciones dedistintos materiales bajo condiciones de operacion estandares,utilizadas en este ensayo. Es importante destacar los detallesestadısticos de las pruebas, ya que en su defecto solamente sepudo analizar una muestra de un calibre de cable determinadoy la otra muestra no es comparable, debido a la diferencia enla fabricacion y recubrimiento; el dıametro del recubrimientoera distinto para ambos cables.

El ensayo de tension demostro que gran parte delcomportamiento elastico de los cables esta dado por elcobre dentro del mismo, mas las secciones plasticas de lagrafica tension-deformacion estan dadas por el recubrimientopolimerico que contenıa, el mismo proporciona un esfuerzode oposicion directamente proporcional al esfuerzo aplicado,esto quiere decir que la grafica se comporta elasticamentedebido al cobre, pero una vez que falle este, el recubrimientopolimerico es quien afecta la toma de datos.

Como se menciono la diferencia entre valores de area en loscables expresa una diferencia significativa en la deformacionde los mismos, como se nota en el Cuadro II. La deformacionpara el caso del segundo cable de prueba es mayor que la delprimer cable debido a que en el segundo, presentaba un areatransversal mayor, es decir mas material de recubrimiento,permitiendo ası una mayor deformacin axial (ver Figura 2).

La prueba de tension para los cables compuestos finalizouna vez que se escuchara el sonido de ruptura de los cables,indicando ası que el efecto del cobre sobre la prueba habıaterminado y que la tension medida es principalmente por losrecubrimientos polimericos (Capa externa e individual).

El acero es una mezcla variable, de hierro y carbono, eltipo de acero AISI 1020, responde bien al trabajo en frıo,

FIGURA 2. Probetas de cables de cobre expuestas a la prueba de tension.

ademas su tenacidad es elevada, sin embargo presenta unabaja resistencia mecanica. Al finalizar los ensayos,se puedeobservar el tipo de falla que se produjo (ver Figura 4), para lasdos probetas analizadas se clasifico la falla como media copa,con ello podemos deducir el tipo de fractura que se produjo, eltipo de fractura corresponde a una fractura ductil, la fracturase produce debido a un fallo por cortante probablemente enel plano (111) que es la zona de embonamiento mas deficiente.

El tipo de fractura se puede apreciar que presenta cuello debotella en la zona esto nos indica que el material fallo debidoa una deformacion plastica excesiva, esto tambien nos indicaque el material tiene una zona plastica considerable,por lo quela fuerza maxima y la fuerza de rotura no son la misma, yaque el material comienza a ceder luego de alcanzar la fuerzamaxima,hasta que se produce la fractura. La literatura indicaque este tipo de falla se atribuye generalmente a las impurezase inclusiones que el material pueda tener, y pues en este casoesa afirmacion viene siendo valida debido a que el acero esuna aleacıon y por ende contara con cierto grado de impurezasdebido a la presencia de minerales y combustibles.

FIGURA 3. Probetas de acero AISI 1020 ante la prueba de tension.

El Nylon (poliamida) es un termoplastico sumamentecristalino debido a la estructura que posee internamente,presenta gran simetrıa en cuanto a sus cadenas principales,por lo tanto sus atomos estan ordenados favoreciendo algunasde sus caracterısticas principales.

La resistencia del Nylon esta relacionada con el enlacede hidrogeno (ver Figura 5) que se van formando entre lascadenas moleculares, es por esta razon que este material poseebuena resistencia a la tension. En los resultados experimen-

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FIGURA 4. Probeta de Nylon expuesta a la prueba de tension.

tales se observa que la fuerza maxima fue de 790 N , encomparacion con los cables, cuyos recubrimientos eran depolımeros, es apreciable la gran diferencia de fuerza maximaalcanzable.

Como se muestra en la Figura 5, las redes de este ter-

FIGURA 5. Representacion de cadenas de nylon como poliamida.

moplastico (poliamida) tienen una forma similar a largos flage-los de este monomero los cuales estan desordenados, cuandose aplica una tension a los mismos produce una disminucionentropica de esta red, lo que se manifiesta como elongaciony calor que no es medido, pero se conoce empıricamente,ya que la friccion entre flagelos es alta, permitiendo ası unaelongacion mayor, este mismo calor y las impurezas que serelacionan tanto en la preparacion y fabricacion de la probetade nylon son factores que se ven evidenciados en el CuadroIII donde el porcentaje de error es del 66 %, ademas sedebe recordar que la grafica de esfuerzo-deformacion en lostermoplasticos es un factor esencial de fluctuacion, en estecaso es de (50 mm/min).

FIGURA 6. Grafico Esfuerzo-Deformacion para la zona elastica del Nylon.

De la Figura 6 se observa que solamente son datos depu-

rados de la seccion elastica de la curva esfuerzo-deformacindel nylon, la cual es la zona de estudio que se fundamente enel modulo de Young, donde la pendiente de esta representael modulo de elasticidad, es decir el valor de 4, 98 N/mm2,la literatura demuestra que para un material de poliamida sumodulo de elasticidad es de 3, 0 N/mm2 (Lide, 2006), en gen-eral este resultado no debe ser tomado como estadısticamentecorrecto debido a la alta fluctuacion con la referencia.

CUADRO IRESULTADOS EXPERIMENTALES

Li Lf Ai Af Fmax Frot

Probeta ±0, 05 ±0, 05 ±0, 07 ±0, 07 ±0, 1 ±0, 1mm mm mm2 mm2 N N

Cable1

300, 00 327, 50 4, 18 − 118, 3 45, 0

Cable2

300, 00 344, 00 7, 33 − 186, 7 51, 7

Nylon 50, 80 161, 00 38, 60 5, 20 790 159, 9Acero

15, 08 5, 60 28, 27 12, 56 17730 4060

Acero2

4, 93 5, 45 28, 27 20, 34 17680 5740

Utilizando las ecuaciones (1), (2), (3), (4) y (5) para elcalculo de la estriccion (S), la elongacion (e), la resistenciamaxima a la tension (σ), la resistencia a la rotura real (σr)y la resistencia a la rotura nominal (σn) respectivamente, seobtienen los siguiente valores:

CUADRO IICALCULO DE PARAMETROS

S e σ σr σnProbeta ±0, 12 ±0, 07 ±0, 15 ±0, 15 ±0, 15

adim adim N/mm2 N/mm2 N/mm2

Cable 1 − 0, 09 − − −Cable 2 − 0, 15 − − −Nylon 0, 86 2, 17 20, 47 5, 20 30, 75

Acero 1 0, 55 0, 10 627, 20 12, 56 323, 30Acero 2 0, 28 0, 10 625, 40 20, 34 282, 20

La Figura 7 muestra un ”zoom” para la zona elastica delacero, para ello se escogieron ciertos valores significativos detension y desplazamiento presente en esta zona, graficandoesto valores y generando un ajuste lineal, obtenemos laecuacion de la recta, y con ello el valor aproximado de lapendiente, esto se realizo con el objetivo de obtener un valoraproximado para el modulo de Young te, en este caso lapendiente, corresponde a 216, 87 N/mm, el valor teorico parael modulo de Young del acero AISI 1020 corresponde a 210N/mm (Lide, 2006) esto arroja un porcentaje de error de3,3% lo cual indica que el valor obtenido resulta ser unabuena aproximacion que tratamos de ordenes de magnitudconsiderablemente grandes.

Por ultimo la velocidad a la cual se realizo el ensayo parael acero corresponde a 4 mm/min, cabe resaltar que debidoa la estructura rıgida del acero el valor de velocidad con quese realice es superfluo, y lo unico que varıa en el ensayo si serealiza el ensayo a una velocidad distinta es el tiempo en el quese alcanza la fuerza de rotura, si el ensayo es reproducido conlas mismas caracterısticas los valores de fuerza maxima y de

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CUADRO IIIMODULO DE YOUNG

Eexp Eref ErrorProbeta ±0, 15 Teorico ±2

N/mm2 N/mm2 %

Nylon 4, 98 3, 0 66Acero 1 216, 87 210 3, 3Acero 2 216, 87 210 3, 3

fuerza de rotura deben permanecer invariantes ante variacionesde velocidad.

FIGURA 7. Grafico Esfuerzo-Deformacion para la zona elastica del acero.

FIGURA 8. Proceso del ensayo de traccin de la probeta de Nylon.

IV. CONCLUSION

• La prueba de tension se rige bajo las caracterısticaselasticas (Modulo de Young) del nylon y acero los cualescorresponden a 4, 98 N/mm2, 216, 87 N/mm2 y 216, 87N/mm2.

• La estriccion del nylon y las probetas de acero fue de0,86, 0,55 y 0,28 respectivamente.

• Segun la norma ASTM E 8M-00b, indica que el esfuerzode rotura es el maximo esfuerzo que se ejerce a la probetaen el caso de fallo para el nylon y las dos pruebas deacero son respectivamente 5, 20 N/mm2, 12, 56 N/mm2

y 20, 34 N/mm2.

• La elongacion de los cables es dependiente de la cedenciadel recubrimiento polimerico ası como del cobre internopor ello la elongacion de dichas pruebas fueron 0,09 y0,15.

• Las probetas de Nylon y Acero fueron medidas conVernier y se determino que cumplen con el estandarASTM E 8M-00b, ya que la zona de estudio es de 30,00mm y diametro de 6,00 mm el cual corresponde a unespecımen de tamano pequeno.

• El esfuerzo nominal para la prueba de nylon y las de aceroson 30, 75 N/mm2, 323, 30 N/mm2 y 282, 20 N/mm2.

• Para el ensayo con probeta de nylon el resultado fue unaexpansion del material debido al esfuerzo aplicado y elcalentamiento por friccion entre las macromoleculas.

• Los ensayos con probetas de acero AISI 1020 indicaronque las fallas fueron de tipo media copa debido a fallapor ductilidad y la zona de embonamiento deficiente delos granos en la probeta y la fuerza cortante en el plano(111) de la estructura cristalografica del acero AISI 1020.

REFERENCES

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