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Materiales y Combustibles Nucleares 2008

Ingeniería Nuclear

Instituto Balseiro, CNEA, UNCu

Autores:

Bazzana Santiago

Hegoburu Pablo

Ordoñez Mariano

Pieck Darío

Trabajo Práctico #2 – Ensayo de Tracción 2

Materiales y combustibles nucleares 2008

Ingeniería Nuclear - Instituto Balseiro

Bazzana Santiago, Hegoburu Pablo, Ordoñez Mariano, Pieck Dario

1. Introducción Uno de los pilares fundamentales para quienes trabajan en diseño, es la

selección de materiales. En lo cual es imprescindible conocer de forma precisa las condiciones de trabajo de la pieza, para poder elegir materiales con propiedades adecuadas. Entre estas podemos destacar las características mecánicas, como son

• El módulo de elasticidad ( E )

• La tensión de fluencia a la cual comienza a comportarse de forma plástica (Y

σ )

• La tensión máxima que soporta (UTS

σ )

• La tensión de ruptura considerando el área inicial de la zona de ruptura (R

σ )

• La deformación máxima ( ( )máxL

L∆ )

• La estricción de ruptura ( Z ) que es el cociente de las áreas de la sección de ruptura final e inicial respectivamente

• La tensión de ruptura real considerando el área final de ruptura (Rr

σ )

Dichas características pueden ser obtenidas mediante un ensayo de tracción. El ensayo de tracción de un material consiste elementalmente en someter a una

probeta, la cual está estandarizada en las normas ASTM1, a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Esto requiere la utilización de una máquina de ensayos, la cual mide la tensión aplicada a la probeta y la elongación de ésta.

De este ensayo se obtiene la curva de tensión-deformación que complementada por la medición directa de la sección de la probeta permiten determinar las características mecánicas mencionadas anteriormente.

La curva tensión-deformación presenta distintas zonas asociados a diferentes estados de la probeta. (Ver Figura 1)

1 American Society for Testing and Materials. Annual Book of ASTM standards. Metal, mechanical testing,

elevated and low temperature tests, metal test methods and analytical procedures.

Trabajo Práctico #2 – Ensayo de Tracción 3

Figura 1 – Relación entre la curva tensión-deformación; y las características mecánicas y los estados de

la probeta.

2. Método experimental

2.1 Máquina de ensayos

El dispositivo utilizado fue una máquina universal de ensayos Instrom 5567 (Ver figura 2).

Figura 2 – máquina universal de ensayos Instrom 5567

Las especificaciones de dicha máquina son las siguientes:

Capacidad de carga: 3000Kg. Velocidad máxima de deformación: 500 mm/min. Velocidad mínima de deformación: 0.005 mm/min. Velocidad máxima a carga completa: 500 mm/min. Velocidad de retorno: 600 mm/min. Precisión en la medición del cabezal: ± 0.1 % de la velocidad de seteo, medida superada 100 mm o 30 segundos, según que suceda primero. Precisión en la medición de la posición: ± 0.02 % mm o 0.05 % del desplazamiento ± una cuenta en el display (lo que sea que ocurra primero).

Trabajo Práctico #2 – Ensayo de Tracción 4

Repetibilidad de la posición: ± 0.015 mm. Precisión en la medición de la carga aplicada: ± 0.01 % de fondo de escala o 0.5 % de la lectura (lo que sea mayor). Precisión en la medición de la deformación: ± 1135 mm. Recorrido total del cabezal: l. Espacio vertical total para la prueba: 1192 mm. Espacio entre columnas: 420 mm. Resolución del control de posicionamiento del cabezal: 0.000054 mm / pulso. Repetibilidad de la posición del cabezal: > ± 0.015 mm. Tiempo de aceleración de cero a velocidad máxima: 150 mseg. Tiempo de parada de emergencia: 300 mseg. Altura neta: 1597 mm. Ancho: 909 mm. Profundidad: 700 mm. Peso: 182 Kg. Potencia máxima: 600 VA. Voltaje: 100/120/220/240 ± 10 % V. Frecuencia: 47 a 63 Hz. Temperatura de operación: +10ºC a 38ºC. Temperatura de almacenaje: - 40ºC a 66ºC. Humedad: 10 % a 90 % (sin condensación).

La máquina se ajustó para trabajar a tasa de deformación constante, durante

los primeros 5 minutos dicha tasa fue de 0,5 mm/min y luego se aumentó a 1,0 m/min, con dichos valores no se exceden los 12 MPa/seg que explicita la norma.

Los datos son registrados y graficados por una computadora mediante una placa de adquisición.

2.2 La Probeta

Para la fabricación de la probeta se realizó un procedimiento de torneado a

partir de una pieza cilíndrica de 12 mm de diámetro de acero siguiendo la norma ASTM-E8M, cuyas especificaciones son

Tabla 1 – especificaciones de la norma ASTM-E8M

Se seleccionó la probeta de 6 mm de diámetro por los requerimientos técnicos de la máquina Instrom 5567, en la siguiente figura se observa el plano de la probeta terminada.

Figura 3 – plano de la probeta torneada según la norma ASTM-E8M

Las mediciones de longitud y diámetro se realizaron con un calibre digital.

Trabajo Práctico #2 – Ensayo de Tracción 5

3. Resultados Por problemas técnicos con el software de adquisición, la curva de tensión-

deformación fue obtenida a partir de la digitalización de una fotografía. El módulo de elasticidad se obtuvo de la pendiente de una regresión lineal de la

zona elástica ( 9936,02=R ). Utilizando esta pendiente se pudo determinar la tensión

de fluencia y la deformación máxima. En la Figura 4 se observa la curva de tensión-deformación donde se han

representado la tensión máxima y la tensión de ruptura.

Resultados obtenidos

Módulo de Elasticidad ( E )………………………………………………….……..19,23 GPa

Tensión de fluencia (Y

σ )…………………………………………………………….219 MPa

Tensión máxima (UTS

σ )……………………………………………………………705,3 MPa

Tensión de ruptura (R

σ )………………………………….………………………..500,1 MPa

Deformación máxima ( ( )máxL

L∆ )………………………………………………...……….0,1098

Estricción de ruptura ( Z )…………………………………………………….…….0,3172

Tensión de ruptura real (Rr

σ )…………………………………………...……….1576,7 MPa

Figura 4 – Curva tensión-deformación obtenida mediante el ensayo de tracción

También se observó la fractura en copa y cono, típica de este ensayo, que se muestra en la Figura 5.

Figura 5 – Fractura en copa y cono

Trabajo Práctico #2 – Ensayo de Tracción 6

Conclusiones

Se realizó un ensayo de tracción sobre una probeta de acero torneada para dicho fin, de acuerdo a las normas ASTM, el cual permitió obtener las características mecánicas principales de dicho material a partir del análisis de la curva de tensión-deformación y verificar de este modo las propiedades de estos aceros. Cabe destacar que la tensión de fluencia hallada por este método no es representativa del acero y se debe a que las velocidades de deformación son demasiado elevadas.

Se obtuvo además un panorama general del mecanizado de la probeta y un ensayo de tracción.