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i
Equation Chapter 1 Section 1
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería de Tecnologías Industriales
Determinación de propiedades mecánicas de
materiales comerciales
Autor: Andrés García Galet
Tutor: Carlos Navarro Pintado
Dep. Ingeniería Mecánica y Fabricación
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2018
-
iii
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería de Tecnologías Industriales
Determinación de propiedades mecánicas de
materiales comerciales
Autor:
Andrés García Galet
Tutor:
Carlos Navarro Pintado
Profesor Titular
Dep. de Ingeniería Mecánica y Fabricación
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2018
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v
Proyecto Fin de Carrera: Determinación de propiedades mecánicas
de materiales comerciales
Autor: Andrés García Galet
Tutor: Carlos Navarro Pintado
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado,
compuesto por los siguientes miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2018
El Secretario del Tribunal
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vii
Agradecimientos
A Carlos Navarro, por permitirme realizar este proyecto y ser
comprensivo en las dificultades que he sufrido
durante su realización.
A José Guareño, Marta Martinez-Darve y Mercedes Fernández, por
su acogida en el laboratorio y por toda la
ayuda prestada para la realización de este proyecto.
A mis padres, por apoyarme siempre y permitirme estudiar esta
carrera.
A mis amigos, por aguantarme siempre y ayudarme a despejar la
cabeza en los momentos que lo necesitaba.
-
ix
Resumen
En este proyecto, se pretende abordar la problemática actual que
ocurre por el uso de nomenclaturas antiguas
en las empresas que trabajan con el acero y realizar un estudio
sobre la veracidad de los datos aportados por
dichas empresas para las propiedades mecánicas que poseen los
aceros que venden. Para ello, se escogen tres
aceros de uso comercial y se les realiza un estudio de sus
propiedades mecánicas a través de los ensayos de
tracción, dureza y fatiga.
-
xi
Abstract
In this project, it is intended to address the current problem
that occurs using old nomenclatures in companies
working with steel and conduct a study on the accuracy of the
data provided by these companies for the
mechanical properties of the steels that sell. To do this, three
steels, that are used commercially, are chosen and
a study is made of their mechanical properties through tensile,
hardness and fatigue tests.
-
Índice
Agradecimientos vii
Resumen ix
Abstract xi
Índice xii
Índice de Tablas xiii
Índice de Figuras xiv
1 Introducción 1
2 Caracterización de los materiales 3 2.1 Acero al carbono: F-1
4 2.2 Acero bonificado: 34CrNiMo6 6 2.3 Acero inoxidable: 316L
8
3 Ensayo de tracción 10 3.1 Preparación del ensayo de tracción
14 3.2 Realización del ensayo de tracción 19 3.3 Obtención de
resultados 22 3.4 Resultados del ensayo de tracción 23
3.4.1 Resultados del ensayo de tracción para el acero F-1 24
3.4.2 Resultados del ensayo de tracción para el acero 34CrNiMo6 28
3.4.3 Resultados del ensayo de tracción para el acero 316L 34 3.4.4
Comparación de los ensayos de tracción de los tres aceros 39
4 Ensayo de dureza 40 4.1 Preparación del ensayo y obtención de
los resultados del ensayo de dureza 41 4.2 Realización del ensayo
de dureza 43 4.3 Resultados del ensayo de dureza 46
4.3.1 Resultados del ensayo de dureza para el acero F-1 46 4.3.2
Resultados del ensayo de dureza para el acero 34CrNiMo6 47 4.3.3
Resultados del ensayo de dureza para el acero 316L 48
5 Ensayo de fatiga 50 5.1 Preparación del ensayo de fatiga 53
5.2 Realización del ensayo de fatiga 57 5.3 Resultados del ensayo
de fatiga 58
5.3.1 Resultados del ensayo de fatiga para el acero F-1 59 5.3.3
Resultados del ensayo de fatiga para el acero 34CrNiMo6 61 5.3.3
Resultados del ensayo de fatiga para el acero 316L 63 5.3.4
Comparación de los ensayos de fatiga de los tres aceros 66
6 Conclusión 67
Bibliografía 69
-
xiii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Comparación de la composición química del acero F-1
ensayado con la norma 5
Tabla 2. Equivalencias internacionales del acero 34CrNiMo6 6
Tabla 3. Comparación de la composición química del acero
34CrNiMo6 ensayado con la norma 7
Tabla 4. Equivalencias internacionales del acero 316L 8
Tabla 5. Comparación de la composición química del acero 316L
ensayado con la norma 9
Tabla 6. Resultados del ensayo de tracción de las cinco probetas
del acero F-1 24
Tabla 7. Valores del módulo de elasticidad para los cinco
ensayos del acero F-1 26
Tabla 8. Valores del límite elástico para los cinco ensayos del
acero F-1 26
Tabla 9. Resultados del ensayo de tracción de las cinco probetas
del acero 34CrNiMo6 28
Tabla 10. Comparación de resultados experimentales del acero
34CrNiMo6 33
Tabla 11. Resultados del ensayo de tracción de las cinco
probetas del acero 316L 34
Tabla 12. Comparación de resultados experimentales del acero
316L 38
Tabla 13. Resultados del ensayo de dureza para la probeta 1 del
acero F-1 46
Tabla 14. Resultados del ensayo de dureza para la probeta 2 del
acero F-1 46
Tabla 15. Resultados del ensayo de dureza para la probeta 3 del
acero F-1 46
Tabla 16. Resultados del ensayo de dureza para la probeta 1 del
acero 34CrNiMo6 47
Tabla 17. Resultados del ensayo de dureza para la probeta 2 del
acero 34CrNiMo6 47
Tabla 18. Resultados del ensayo de dureza para la probeta 3 del
acero 34CrNiMo6 47
Tabla 19. Resultados del ensayo de dureza para la probeta 1 del
acero 316L 48
Tabla 20. Resultados del ensayo de dureza para la probeta 2 del
acero 316L 48
Tabla 21. Resultados del ensayo de dureza para la probeta 3 del
acero 316L 48
Tabla 22. Medidas de las probetas de fatiga del acero F-1 59
Tabla 23. Resultados de los ensayos de fatiga para el acero F-1
60
Tabla 24. Medidas de las probetas de fatiga del acero 34CrNiMo6
61
Tabla 25. Resultados de los ensayos de fatiga para el acero
34CrNiMo6 62
Tabla 26. Medidas de las probetas de fatiga del acero 316L
63
Tabla 27. Resultados de los ensayos de fatiga para el acero 316L
63
-
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Disposición general del ensayo de tracción 10
Figura 2. Diagrama fuerza-alargamiento 11
Figura 3. Diagrama esquemático tensión-deformación en el ensayo
de tracción de un acero 12
Figura 4. Plano de la probeta del ensayo de tracción 15
Figura 5. Tabla de medidas normalizadas para probetas del ensayo
de tracción sacada de la norma UNE EN
ISO 6892-1 16
Figura 6. Tabla de tolerancias de la probeta del ensayo de
tracción sacada de la norma UNE EN ISO 6892-1
16
Figura 7. Extensómetro 17
Figura 8. Mordazas usadas para el ensayo de tracción 18
Figura 9. Tabla de elección de velocidad de puesta en carga
sacada de la norma UNE EN ISO 6892-1 19
Figura 10. Cabezal superior de la máquina de ensayos MTS 810
20
Figura 11. Programa para realizar el ensayo de tracción 21
Figura 12. Realización del ensayo de tracción 22
Figura 13. Curva tensión-deformación experimental del acero F-1
25
Figura 14. Comparación entre curva verdadera e ingenieril para
el acero F-1 27
Figura 15. Curvas tensión-deformación verdadera para los cinco
ensayos del acero F-1 28
Figura 16. Curva tensión-deformación para el acero 34CrNiMo6
29
Figura 17. Tramo elástico de la curva tensión-deformación del
acero 34CrNiMo6 30
Figura 18. Procedimiento alternativo para el cálculo del límite
elástico convencional 31
Figura 19. Comparación entre curva verdadera e ingenieril para
el acero 34CrNiMo6 32
Figura 20. Curvas tensión-deformación verdadera para los cinco
ensayos del acero 34CrNiMo6 33
Figura 21. Curva tensión-deformación para el acero 316L 35
Figura 22. Tramo elástico de la curva tensión-deformación del
acero 316L 36
Figura 23. Comparación entre curva verdadera e ingenieril para
el acero 316L 37
Figura 24. Curvas tensión-deformación verdadera para los cinco
ensayos del acero 316L 38
Figura 25. Comparación de la curva tensión-deformación de los
tres aceros ensayados 39
Figura 26. Disposición general del ensayo de dureza Vickers
42
Figura 27. Rangos de fuerza de ensayo según la norma UNE-EN ISO
6507-1 42
-
xv
Figura 28. Máquina de ensayos de dureza Vickers 43
Figura 29. Identador ejerciendo fuerza sobre la probeta 44
Figura 30. Huella dejada por el identador 45
Figura 31. Pantalla de control de la máquina de ensayos de
dureza Vickers 45
Figura 32. Superficie con rotura por fatiga 51
Figura 33. Bandas de deslizamiento y fases de iniciación de una
grieta 51
Figura 34. Detalles de las estructuras superficiales causadas
por las bandas de deslizamiento persistente en la
superficie de un cristal 52
Figura 35. Probeta del ensayo de fatiga y su plano 54
Figura 36. Mordazas usadas para los ensayos de fatiga 55
Figura 37. Carga cíclica de amplitud constante 56
Figura 38. Realización del ensayo de fatiga 58
Figura 39. Curva S-N experimental para el acero F-1 60
Figura 40. Curva S-N experimental para el acero 34CrNiMo6 62
Figura 41. Probeta del ensayo fallido del acero 316L 64
Figura 42. Curva S-N experimental para el acero 316L 65
Figura 43. Comparación de los ensayos de fatiga para los tres
aceros ensayados 66
-
1
1 INTRODUCCIÓN
En la actualidad, uno de los materiales más comercializado en el
mundo es el acero. Esto se debe a que es un
material con unas propiedades tanto físicas como mecánicas muy
buenas, que lo hace una opción muy
recomendable para piezas que tengan que soportar algún tipo de
esfuerzo.
Al comienzo de la comercialización de este material, existían
pocos tipos de aceros, lo que hacía sencillo el
que fueran conocidos por todos los fabricantes que los usaban.
Sin embargo, con el paso del tiempo y con el
objetivo de conseguir aceros que posean unas propiedades más
específicas, el número de tipos de aceros se ha
incrementado considerablemente. Esto ha dado lugar a volver a
nombrar los aceros existentes varias veces,
para así dar cabida a nombrar de manera similar a los aceros con
propiedades similares. Un claro ejemplo en
las normas españolas que regulan la nomenclatura de los aceros
es el caso de que, antiguamente, algunos de
los aceros se nombraban con una letra F seguida de un dígito
(ej: F-1, F-5…). Sin embargo, la gran cantidad de
aceros existentes ha hecho que ahora algunos aceros se nombren
con esa misma F seguida de hasta cuatro
dígitos (ej: F-1120, F-1252…). Todo esto hace preguntarse qué ha
ocurrido con aquellos aceros que eran tan
usados antiguamente pero que se quedaron con una nomenclatura
obsoleta.
La suposición oficial dice que todos aquellos aceros volvieron a
ser renombrados e incluidos en la nueva
nomenclatura usada. Sin embargo, la realidad es que no todos los
talleres de mecanizados que trabajan con
aceros se han modernizado a la misma velocidad, por lo que hoy
en día siguen existiendo talleres que aún usan
esa nomenclatura antigua.
A esta problemática que ocurre en las empresas que trabajan con
aceros en España, se le une que no existe una
sola norma que defina y nombre a todos los aceros existentes,
sino que en cada país se usa una norma diferente
para catalogar un acero. Incluso existen países en los que hay
talleres que, pese a disponer de una norma propia
que catalogue los aceros, para algunos aceros usa la norma
nacional, pero para otros aceros decide llamarlos
como lo definen otras normas internacionales. Esto hace que
conocer exactamente el acero con el que se está
trabajando no sea tan fácil como debería ser.
Además de todo esto previamente dicho, hay que tener en cuenta
otro problema importante a la hora de usar
un acero. A un acero ya definido se le presuponen una serie de
propiedades tanto mecánicas como físicas que
debe cumplir. Sin embargo, debido en parte a la problemática de
conocer realmente el acero con el que se está
trabajando, hay que tener cuidado a la hora de confiar al
completo en las propiedades que dicen que dicho
acero ha de tener, porque podría llegar a ocurrir que no fueran
correctas, pudiendo ocurrir un fallo antes de lo
previsto.
De estos dos problemas expuestos nace este proyecto. En él se
pretende escoger tres aceros muy usados
comercialmente en los talleres de mecanizado de Sevilla y
caracterizarlos, para así conocer las propiedades
mecánicas que tiene y poder realizar una comparación con las que
se supone que deben tener. Además,
también se intentará saber si cada uno estos aceros es el mismo
para las diferentes empresas del sector o si
existe discordancia entre la forma de llamarlos.
Para la selección de los aceros a estudiar se ha preguntado a
diferentes talleres de mecanizado de la provincia
de Sevilla cuáles son los aceros con los que generalmente más se
trabaja en el lugar. De los aceros más
coincidentes entre los diferentes talleres, se ha decidido
escoger aquellos tres aceros que tuvieran propiedades
-
Introducción
2
2
diferentes para hacer más provechoso el estudio a realizar, por
lo que se ha decidido coger un acero con una
resistencia media, un acero con una resistencia muy alta y un
acero inoxidable.
Por tanto, tras un estudio previo de los aceros usados en los
talleres, prestando especial atención a los aceros
recomendados por el taller de mecanizado Cortés Vasallo, que es
el taller que mecanizaría las probetas que se
usan en los ensayos, se ha decidido escoger los tres aceros
siguientes: F-1, 34CrNiMo6 y 316L.
A estos tres aceros se les pretende caracterizar, realizando una
serie de ensayos que definan algunas de sus
propiedades mecánicas. Concretamente, en este proyecto, a cada
acero se le realizan tres ensayos: el ensayo de
tracción, el ensayo de dureza y el ensayo de fatiga. Con estos
ensayos se pueden obtener propiedades
mecánicas de los aceros tan relevantes como son la resistencia
de la tracción, la dureza del material o el
comportamiento a fatiga, entre muchas otras.
Para un mejor entendimiento de los ensayos realizados, en este
proyecto se ha creado un punto específico para
cada ensayo. En cada punto se tratará de explicar con
detenimiento todo lo relacionado a su ensayo
correspondiente, como la información relevante que ofrecen, la
forma de preparar y de realizar dicho ensayo,
incluso cómo obtener la información del material que se saca del
ensayo. Una vez explicados, se expondrán
los resultados obtenidos y se realizará una comparación con los
resultados que según fabricantes y proveedores
deberían haberse obtenido.
-
3
2 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES
En este proyecto se caracterizan tres materiales que, pese a ser
diferentes, se encuentran dentro de la familia de
los aceros. El termino acero sirve comúnmente para denominar a
una mezcla de hierro con una cantidad
variable de carbono comprendida entre 0,03% y el 2,14% en masa
de su composición. Dicha adición de
carbono crea un material muy diferente, el cual no debe de ser
confundido con el hierro.
El hierro es un metal duro y relativamente dúctil, con un
diámetro atómico de 2,48 Å . Por otra parte, el
carbono es un no metal blando y frágil (excepto en la forma de
diamante), con un diámetro atómico menor de
1,54 Å. Gracias a la diferencia en diámetros atómicos se logra
la difusión del carbono en la estructura cristalina
del hierro, formándose un compuesto intersticial. En resumen, se
forma un compuesto en el que algunas de las
cavidades intersticiales de la red cristalina del hierro están
ocupadas por átomos de carbono. Esto hace que el
acero conserve las características metálicas del hierro en
estado puro, las cuales lo hacen un material
relativamente duro y tenaz, pero gracias a la adición de carbono
y de otros elementos tanto metálicos como no
metálicos se consigue mejorar sus propiedades.
Hay que tener en cuenta que el número de aceros existentes en el
mundo es muy grande y va día a día en
aumento. Por tanto, es importante agruparlos en grupos que hagan
más sencilla su identificación. Para ello
existen diversas formas de agrupar a los aceros tal y como se
muestra a continuación:
• En función de los elementos que predominan en su composición.
Ejemplo: aceros al carbono, aceros
al silicio…
• En función de su susceptibilidad a ciertos tratamientos.
Ejemplo: aceros de cementación, aceros de
bonificación…
• En función de alguna característica potenciada. Ejemplo:
aceros inoxidables…
• En función de su uso. Ejemplo: aceros estructurales…
Ya que en este proyecto se van a caracterizar tres aceros, se ha
intentado escoger aceros pertenecientes a
diferentes grupos para obtener una mejor visión del estudio a
realizar. Por tanto, los tres aceros escogidos para
caracterizar en este proyecto son:
• Un acero al carbono: F-1.
• Un acero de bonificación: 34CrNiMo6.
• Un acero inoxidable: 316L.
-
Caracterización de los materiales
4
4
2.1 Acero al carbono: F-1
Los aceros al carbono, también llamados aceros estructurales,
son aceros en los que el principal aleante es el
carbono. Históricamente, un 90% de la producción mundial se
correspondía con estos aceros y el 10% restante
a aceros aleados. Sin embargo, la actual tendencia es hacia un
crecimiento de la proporción de los aceros
aleados en detrimento de la producción de aceros al carbono.
Este cambio se produce gracias a que las
investigaciones en materiales han permitido conseguir aceros
aleados con buenas propiedades mecánicas y que
pesen menos, lo cual es un requisito importante en la
construcción de cualquier máquina o estructura. A pesar
de esto, los aceros al carbono siguen usándose mucho en la
mayoría de las industrias.
La composición química de los aceros al carbono es compleja:
además del hierro y el carbono que
generalmente no supera el 1%, hay en la aleación otros elementos
necesarios para su producción, tales como
silicio y manganeso, y otros que se consideran impurezas por la
dificultad de excluirlos totalmente como el
azufre, el fósforo, etc.
El acero al carbono estudiado en este proyecto es el acero F-1.
Este acero lleva usándose desde los principios
de la comercialización de aceros en España para una gran
cantidad de piezas a las que no se les exigen unas
propiedades mecánicas específicas debido a que se usarán en
lugares en los que una rotura de la pieza no
significará un problema.
La nomenclatura de la calidad F-1, se debería haber quedado
obsoleta hace muchos años, teniendo en cuenta
que ahora, en la normativa española UNE, los aceros que se
nombran con la letra F van seguidos de cuatro
dígitos (ej: F-1120, F-1272…) en lugar de un solo dígito como se
hacía antiguamente (ej: F-1, F-5…). Sin
embargo, debido a la gran demanda que sigue teniendo este acero
y a que no se le exigen unas propiedades
mecánicas concretas, en España nadie se ha decidido a acabar con
la nomenclatura de la calidad F-1.
Lo que ocurre es que el acero de calidad F-1 abarca muchas
calidades de la nueva nomenclatura, pudiendo
asemejarse un F-1 a un S235, un S275 o incluso hasta un S335.
Esto ha dado lugar a que no exista nadie que
defina las propiedades mecánicas del acero F-1, debido a que el
rango que abarca es demasiado grande y los
proveedores prefieren no decir nada que los pudiera
comprometer.
Por tanto, al no conocer el nombre que tendría el F-1 ensayado
en la nueva nomenclatura española, no se
puede decir qué equivalencias tiene con las diferentes normas
internacionales, como sí se hará para los
siguientes aceros.
Pese a todo, para que un acero pueda ser considerado F-1, este
debe cumplir una composición química
específica. Sin embargo, a diferencia de los demás aceros en
general, éste está obligado a contener cinco
elementos para llamarlo F-1, que son carbono, manganeso,
silicio, fósforo y azufre. Pero hay hasta ocho
elementos más que se le permite tener aunque no de manera
obligatoria, los cuales son cromo, molibdeno,
níquel, cobre, estaño, vanadio, aluminio y titanio. A
continuación, en la tabla 1, se muestra la composición del
acero ensayado, que es proporcionada por el proveedor del
material en el certificado de calidad del acero, y el
rango de composiciones que debe cumplir un acero para poder
denominarse F-1. En esta tabla se muestra el
tanto por ciento en peso que el material posee de cada
elemento.
-
5
5 Caracterización de los materiales
Tabla 1. Comparación de la composición química del acero F-1
ensayado con la norma
C Mn Si P S Cr Mo
Norma Min 0,0300 0,2500 0,0500 0,0010 0,0001 0,0001 0,0001
Max 0,3000 1,6000 0,5000 0,0500 0,1000 0,5000 0,2000
Experimental 0,0700 0,4700 0,1200 0,0140 0,0180 0,0800
0,0200
Ni Cu Sn V Al Ti
Norma Min 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0010 0,0001
Max 0,4000 0,5500 0,0700 0,1500 0,0550 0,0350
Experimental 0,0800 0,2600 0,0010 0,0020 - -
Como se puede observar en la tabla, la composición química del
acero ensayado cumple con los requisitos
para poder denominarlo como acero F-1.
El acero F-1 es un acero con un límite elástico y una
resistencia a la tracción de valor relativamente bajo para
tratarse de acero, pero tiene una buena ductilidad y tenacidad,
mostrando buenas características para la
soldadura. Este es un acero que no lleva tratamiento térmico,
pero gracias a la buena ductilidad que posee se le
ha realizado un proceso de estirado en frío, con el cual se ha
conseguido aumentar su límite elástico a unos
valores mayores a los del acero original.
Las aplicaciones para las que se usa este acero son
innumerables, siempre y cuando se use para piezas de baja
responsabilidad que no necesiten unas propiedades mecánicas
concretas. Sus aplicaciones más comunes son la
fabricación de remaches, pernos, tubos y estructuras
metálicas.
Por último, hay que comentar que, debido a que ninguna empresa
dice las propiedades mecánicas que el acero
F-1 posee, no se podrán comparar los resultados que se obtengan
experimentalmente con los otorgados por los
fabricantes, como se hará con los otros dos aceros. Aun así, se
podrá decir que un acero F-1 con la misma
composición química que el ensayado debe cumplir las propiedades
mecánicas que aquí se obtienen.
-
Caracterización de los materiales
6
6
2.2 Acero bonificado: 34CrNiMo6
Los aceros bonificados reciben ese nombre porque son aceros que
poseen una composición adecuada para que
se les realice un bonificado. Un bonificado es un tratamiento
térmico que consta de un temple seguido de su
posterior revenido. Este tratamiento térmico se realiza para
mejorar en gran medida las propiedades mecánicas
de una aleación metálica.
En este proyecto, el acero bonificado que se va a caracterizar
es el 34CrNiMo6, un acero aleado al Ni-Cr-Mo
(Níquel-Cromo-Molibdeno). Este es un acero de gran templabilidad
que presenta, después de un revenido alto,
una buena combinación de resistencia y tenacidad, incluso en
piezas de gran sección o espesor.
En un principio, cuando se pidió este acero al taller de
mecanizado que proporcionaría las probetas, el acero
fue pedido como F-127. Una vez el taller de mecanizado entregó
las probetas ya mecanizadas con el
certificado de calidad del acero, dicho certificado catalogaba
al acero comprado como 34CrNiMo6.
A fin de cuentas, este acero es un perfecto ejemplo que permite
explicar la problemática existente hoy en día
en la nomenclatura de los aceros. Para algunos talleres de
mecanizado como Cortes Vasallo o empresas
proveedoras de acero como Aceros Llobregat S.A., el acero
34CrNiMo6 se corresponde con el F-127. Sin
embargo, para otras empresas proveedoras de aceros en España,
como son Metal Service Metales Catalunya
S.L o ThyssenKrupp Materials Ibérica, el acero 34CrNiMo6 se
corresponde con el acero F-128. Incluso
existen otras empresas, como Aceros Griñón, que catalogan al
acero 34CrNiMo6 como un acero diferente
tanto al F-127 como al F-128, catalogando estos como 40NiCrMo7 y
39NiCrMo3 respectivamente.
Esto genera un serio problema a la hora de asegurarse con que
acero se trabaja. Y todo viene dado porque en
España, en muchos lugares se sigue trabajando con una
nomenclatura antigua que ya tenía que haberse
quedado obsoleta, pero que, por comodidad, las empresas han
seguido usando si llegar a un acuerdo entre
todas.
En lo único que, en general, coinciden las empresas antes
nombradas con respecto al acero 34CrNiMo6 es que,
según el sistema de numeración para los aceros acorde con la
normativa EN (Número estándar: WNr), este
acero se puede catalogar como 1.6582.
Por tanto, la manera más sencilla de catalogar este acero en las
diferentes normas internacionales y no dar
lugar a confusión es como lo catalogan empresas como Aceros IMS
o Aceros Griñón y como se muestra a
continuación en la tabla 2.
Tabla 2. Equivalencias internacionales del acero 34CrNiMo6
Pero para que el acero usado sea 34CrNiMo6, su composición
química debe cumplir una serie de requisitos
recogidos en la siguiente tabla mostrada, tabla 3. Dichos rangos
de composición que debe cumplir el acero
para poder denominarse 34CrNiMo6 se encuentran en el catálogo de
la empresa IMS, suministradora de los
EUROPA EN 10083
EUROPA WNr
ESPAÑA ALEMANIA FRANCIA ITALIA
SIMBÓLICA NUMÉRICA UNE 36011-12 DIN 17200 NF A35-552-86 UNI
7846
34CrNiMo6 1.6582 34CrNiMo6 34CrNiMo6 34CrNiMo6 34CrNiMo6
-
7
7 Caracterización de los materiales
aceros para los ensayos.
Tabla 3. Comparación de la composición química del acero
34CrNiMo6 ensayado con la norma
C Mn Si P S Cr Mo
Norma Min 0,3000 0,5000 0,0001 0,0001 0,0001 1,3000 0,1500
Max 0,3800 0,8000 0,4000 0,0350 0,0350 1,7000 0,3000
Experimental 0,3800 0,6800 0,3300 0,0100 0,0290 1,4500
0,2810
Ni Cu Sn V Al Ti
Norma Min 1,3000
- - - - - Max 1,7000
Experimental 1,6300 0,1400 0,0090 0,0050 0,0300 0,0020
Como se observa, la composición química del acero ensayado
cumple la normativa para definirse como acero
34CrNiMo6, ya que todos los valores de composición de éste están
dentro del rango impuesto por la norma.
Además de los elementos impuestos por la norma, el acero
ensayado posee más elementos que son
considerados como impurezas.
Pero lo que más caracteriza a este acero no es su composición,
si no los tratamientos térmicos a los que ha sido
sometido. Estos son la clave de las buenas propiedades mecánicas
que posee este acero.
El tratamiento térmico realizado a este acero comienza con un
temple, que tiene como finalidad aumentar la
dureza y la resistencia del acero. Para ello se calienta el
acero a una temperatura superior a la de austenización
(830 – 870 ºC) y luego se enfría lo suficientemente rápido en un
medio como el aceite o el agua para obtener
una estructura martensítica. Así se consigue una estructura con
martensita, el cual es el constituyente más duro
después de la cementita.
Pese a que con el temple se consigue un material muy duro, este
también hace que el material se vuelva muy
frágil debido a las tensiones internas producidas por el proceso
de endurecimiento. Por tanto, después del
temple, a este acero se le realiza un revenido.
En el revenido, el acero se vuelve a calentar a una temperatura
entre 540 y 680 ºC, pero esta vez la velocidad
de enfriamiento es mucho menor que en el temple. Con esto se
disminuye un poco la dureza y la resistencia
con respecto al acero templado, pero se eliminan las tensiones
internas creadas por el temple y se mejora
mucho la tenacidad. Así se consigue un acero con la dureza y
resistencia deseada poseyendo además una
buena tenacidad.
En consecuencia, se consigue un acero que puede ser usado en
piezas sometidas a cargas muy elevadas que
necesitan tener una alta tenacidad. Por ello este acero se
utiliza mucho en la industria del automóvil y para la
construcción de motores con una alta resistencia, siendo usado
para hacer cigüeñales, ejes, bielas, husillos y en
general piezas sometidas a grandes esfuerzos de fatiga, flexión,
torsión, choques, etc.
-
Caracterización de los materiales
8
8
2.3 Acero inoxidable: 316L
El acero inoxidable se define en metalurgia como una aleación de
acero con una cantidad mínima del 10,5%
en peso de cromo, lo cual le da al acero una alta resistencia a
la corrosión. Además de cromo, los aceros
inoxidables contienen otros metales aleantes como el níquel o el
molibdeno, los cuales mejoran algunas de sus
propiedades físicas. Estos metales aleantes poseen una gran
afinidad con el oxígeno con el cual reaccionan,
formando una capa pasivadora de unos 10 nm, evitando así la
corrosión del hierro contenido en la aleación.
En concreto, los aceros con un contenido de cromo entre el 16% y
el 28% y de níquel entre el 6% y el 32% se
les denomina austeníticos ya que poseen una estructura
metalográfica formada básicamente por austenita a
temperatura ambiente. Estos aceros inoxidables austeníticos son
los más populares gracias a su excelente
resistencia a la corrosión, la cual es superior a los otros
tipos de aceros inoxidables. Pese a ello, los aceros
austeníticos tienen una característica a tener en cuenta y es
que no pueden ser templados para mejorar sus
propiedades mecánicas. Por eso, para este tipo de aceros existe
otro tratamiento térmico que permite mejorar
sus propiedades, el hipertemple, que será explicado más
adelante.
El acero inoxidable austenítico estudiado en este trabajo es el
316L, un acero normalizado según la norma
AISI (American Iron and Steel Institute), la cual establece la
clasificación de aceros y de aleaciones de
materiales no ferrosos más utilizada en los Estados Unidos.
Generalmente, los aceros inoxidables se suelen
catalogar internacionalmente según la norma AISI, que los
cataloga según la serie. Es decir, la serie 300 son
los aceros inoxidables austeníticos, la serie 400 son los
martensíticos, etc. Pese a que al hablar de este acero,
incluso en España, se suele hacer según su nombre en la
normativa AISI, también tiene sus equivalencias para
las diferentes normas internacionales como se muestra en la
tabla 4.
Tabla 4. Equivalencias internacionales del acero 316L
USA EUROPA
EN 10088-3 EUROPA
WNr ALEMANIA FRANCIA ITALIA
AISI/SAE SIMBÓLICA NUMÉRICA DIN 17350 AFNOR UNI
316L X2CrNiMo17-12-2 1.4404 X2CrNiMo17-12-2 Z2CND17-12
X8CN1910
El 316L es un acero inoxidable de cromo níquel que además
contiene molibdeno. La adición de este elemento
hace que aumente la resistencia a la corrosión general,
mejorando, además, la resistencia a la corrosión por
picaduras de soluciones de iones cloruro y proporcionando mayor
resistencia a temperaturas elevadas. Aunque
la verdadera diferencia de este acero con respecto a otros
aceros inoxidables es su bajo contenido en carbono
(0,03% en peso de carbono). Esto hace que se minimice la
precipitación de carburos perjudiciales en la zona
afectada por el calor de la soldadura, evitando así la corrosión
intraganular durante dicho proceso.
Según la norma AISI, para que un acero sea considerado 316L, su
composición debe cumplir los requisitos de
la siguiente tabla:
-
9
9 Caracterización de los materiales
Tabla 5. Comparación de la composición química del acero 316L
ensayado con la norma
C Mn Si P S Cr
Norma Min 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 16,5000
Max 0,0300 2,0000 1,0000 0,0450 0,0300 18,5000
Experimental 0,0230 1,5200 0,4000 0,0360 0,0290 16,5000
Mo Ni N Cu Co Ti
Norma Min 2,0000 10,0000 0,0001
- - - Max 2,5000 13,0000 0,1100
Experimental 2,0300 10,0500 0,0780 0,6500 0,1400 0,0010
Como se puede observar, la composición química del acero
ensayado está dentro del rango teórico, por lo que
se puede considerar que este acero es 316L, el cual tiene las
siguientes características:
• Alta resistencia a la corrosión por picaduras, concretamente
frente a medios muy activos como: ácido
acético concentrado (en caliente), ácido sulfúrico diluido,
ácido fosfórico, soluciones alcalinas y
ciertas soluciones salinas (como en la atmósfera marina).
• Buena resistencia a la corrosión intragranular en aplicaciones
que conlleven un uso continuado a
temperaturas elevadas del rango de 450 a 850 ⁰C o en operaciones
de soldadura.
• Se suelda fácilmente, aunque para soldar hay que usar
electrodos del mismo tipo de acero.
• No es templable ni magnético.
Como ya se ha comentado, este no es un acero al que se le pueda
realizar un temple, pero en vez de eso, se le
realiza un tratamiento térmico denominado hipertemple o temple
de solubilización. Este es un tratamiento
térmico habitual en los aceros inoxidables austeníticos que
consiste en calentar el acero a una temperatura
suficientemente alta (entre 1050 y 1100º C) para eliminar las
alteraciones estructurales debidas a procesos de
fabricación, mantenerlo en tal temperatura durante el tiempo
necesario para solubilizar los carburos (en
especial los de Cromo) y enfriarlo en agua con suficiente
velocidad como para evitar nuevamente la
precipitación de los carburos. El acero logra el estado de
máximo ablandamiento y se le confiere con el
tratamiento las mejores características de ductilidad e
inoxidabilidad.
El acero 316L es un acero que suele ser usado para piezas que
demandan una alta resistencia a la corrosión
localizada o que requieren garantizar resistencia a la corrosión
intragranular al estar trabajando a temperaturas
elevadas o al ser soldadas. Por tanto, existen muchos lugares
donde se usa este acero como, por ejemplo:
• Industria alimentaria, química, farmacéutica, textil,
petrolera, fotográfica, lechera, del papel, de la
pintura, del algodón, del caucho, del nylon, etc.
• Cambiadores de calor, bombas, condensadores, evaporadores,
tanques, cubas de fermentación,
válvulas.
• Piezas y utensilios expuestos al ambiente marítimo.
• Varillas de soldadura (electrodos revestidos)
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10
3 ENSAYO DE TRACCIÓN
Entre los ensayos para determinar propiedades mecánicas de los
materiales, el ensayo de tracción es el más
utilizado por la sencillez en la preparación de la probeta y
ejecución del ensayo, así como por la repetibilidad y
fiabilidad de los resultados que se derivan del mismo.
A expensas de una explicación más detallada sobre la forma de la
probeta en uno de los siguientes apartados,
la probeta del ensayo de tracción para materiales metálicos
suele tener forma cilíndrica recrecida en los
extremos donde es aprisionada lateralmente por unas mordazas
para evitar que la probeta se deslice a lo largo
de ellas al aplicar una carga longitudinal.
Figura 1. Disposición general del ensayo de tracción
La información que se precisa en el ensayo de tracción es la
fuerza F que se aplica y el alargamiento ∆𝐿 que se
está produciendo en la probeta. Para la medida de esta segunda
magnitud existen diferentes métodos. A
continuación, vamos a explicar los criterios seguidos para la
elección del mejor método para estos ensayos.
El método más sencillo de aplicar y sin requerir instrumentación
adicional sobre la probeta, es tomar la
separación de las mordazas como referencia. Esta alternativa de
medida tiene dos inconvenientes: el primero
es que en el inicio de la aplicación de la carga puede
originarse un desplazamiento relativo entre la probeta y
las mordazas. Considerando que el resultado generado suele ser
lo suficientemente representativo para la
mayoría de las aplicaciones, se podría asumir ese
desplazamiento. No obstante, el segundo inconveniente es
debido a que la medida de la separación longitudinal de las
mordazas incluye la zona recrecida de la probeta y
la de transición, por lo que para la evaluación de magnitudes
puntuales implica tomar valores promedios y
como consecuencia los resultados no son tan precisos. Por ello,
se desestima este método y se determina optar
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11
11 Ensayo de tracción
por procedimientos que tomen medidas sobre la parte central de
la probeta.
Uno de los métodos para medir sobre la parte central de la
probeta es utilizar un extensómetro que se fija a dos
puntos de la probeta y mide la separación entre ambos puntos.
Debido a su exactitud en la medida de la
magnitud a medir y que es un instrumento reutilizable en tantos
ensayos como se necesiten, ésta ha sido la
alternativa escogida para hacer los ensayos.
Otro procedimiento estudiado para la medición del alargamiento
ha sido el uso de bandas extensométricas.
Estas se adhieren a la probeta y miden el alargamiento unitario
en la dirección en la que han sido colocadas.
Esta alternativa da, si se coloca correctamente la banda
extensométrica, unos valores fiables de alargamiento.
Sin embargo, no ha sido elegida para estos ensayos debido al
trabajo que requiere colocar y quitar la banda
extensométrica para cada ensayo comparado con el de colocar y
quitar el extensómetro.
Centrándonos en la descripción del ensayo de tracción,
habitualmente la fuerza es aplicada en uno de los
extremos mientras que la otra mordaza permanece fija. No
obstante, simbólicamente se representa el ensayo
de tracción como se puede observar en la figura 1, en la que la
fuerza de tracción es aplicada desde los dos
extremos.
En lo correspondiente al control del ensayo, en la mayoría de
las máquinas existe la posibilidad de controlar
por unidad de tiempo la fuerza aplicada o el desplazamiento de
las mordazas. En cualquiera de los casos, la
carga debe aplicarse moderadamente para evitar efectos
dinámicos.
De acuerdo con lo indicado anteriormente, la representación más
habitual que se obtiene de forma directa del
ensayo de tracción es un diagrama fuerza-alargamiento como se
muestra en la figura 2. En este diagrama, sus
puntos característicos y sus posiciones relativas entre ellos
pueden variar sustancialmente incluso para un
mismo material, ya que la fuerza necesaria para deformar o
romper un material depende del área de la sección
trasversal de la probeta.
Figura 2. Diagrama fuerza-alargamiento
Por ello, al diagrama que resulta del ensayo de tracción se le
va a hacer un cambio de escala en ambos ejes con
respecto al representado en la figura 2. Si aislamos un trozo de
la probeta cortando por un plano perpendicular
al eje de la misma y admitimos que en un extremo hay actuando
una fuerza F y en el otro hay una tensión 𝜎
que se distribuye uniformemente en la sección trasversal 𝐴0 , el
equilibrio del trozo aislado lleva a:
𝐹 = 𝜎𝐴0 ⟹ 𝜎 =𝐹
𝐴0
(1)
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Ensayo de tracción
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Si por otra parte suponemos que el incremento de longitud ∆𝐿 se
distribuye homogéneamente a lo largo de la
zona de medida 𝐿0, podemos definir una deformación longitudinal
𝜀 constante de valor:
𝜀 =∆𝐿
𝐿0
(2)
Tras las ecuaciones (1) y (2) se puede aplicar un cambio de
escala al diagrama que aparece en la figura 2 para
obtener una relación entre tensión longitudinal y deformación
longitudinal. Dicha transformación conduce a
un diagrama esquemático como el que se representa en la figura
3, donde se han marcado los puntos y tramos
importantes del diagrama, no apareciendo necesariamente todos
los tramos de este diagrama esquemático en
todos los materiales.
Figura 3. Diagrama esquemático tensión-deformación en el ensayo
de tracción de un acero
Hay que destacar, en primer lugar, que el uso de la expresión
(1) da lugar a un valor de tensión que no es real
para cada instante de tiempo ya que en esa expresión se está
dividiendo la fuerza que actúa por el área
trasversal inicial de la probeta. Sin embargo, se sabe que, al
mismo tiempo que al aplicar una fuerza F se
produce un alargamiento en la dirección de aplicación de F,
también se produce un acortamiento en dirección
transversal, lo que conlleva a una reducción del área
transversal, que instantáneamente tomará valores 𝐴 (𝐴 <
𝐴0). Ello daría lugar a un valor instantáneo de tensión 𝜎𝑣 ,
llamada tensión verdadera o real, de:
𝜎𝑣 =𝐹
𝐴> 𝜎
(3)
Dicho valor de tensión viene representado por la línea de trazo
discontinuo que se observa en la figura 3, el
cual se vuelve significativamente mayor a partir del comienzo de
la estricción. Pese a todo esto, el ensayo de
tracción no se estudia en variables de tensión verdadera, si no
que se estudia en variables ingenieriles, que,
como se verá a continuación, revelan la información necesaria de
este ensayo.
Por tanto, para describir este ensayo, se va a ir recorriendo la
línea OABCDE haciendo hincapié en el
comportamiento del material y hablando de algunos valores de
interés.
-
13
13 Ensayo de tracción
• Tramo OA: Tramo de comportamiento elástico lineal. En este
tramo se observa una proporcionalidad
entre los valores de 𝜎 aplicados y los alargamientos unitarios
experimentados, lo cual da lugar a una
propiedad importante de los materiales que veremos más adelante.
Por otra parte, se observa una
reversibilidad total del proceso de carga, teniendo el material
la propiedad general de elasticidad que
viene referida a la propiedad de recuperar su forma y tamaño una
vez desaparecen las cargas a las que
es sometido. Durante todo este tiempo el material tiene como
memoria un único estado de referencia,
el estado indeformado, al que vuelve independientemente del
historial de carga (siempre que sea cuasi
estática) sufrido por el material dentro de esta zona. El valor
que limita este comportamiento es
denominado como límite de proporcionalidad, 𝜎𝑝.
• Tramo AB: Tramo de comportamiento elástico no-lineal. En este
tramo se mantiene el carácter
elástico del material, pero se pierde la proporcionalidad entre
tensión y deformación, es decir, si se le
aplica una fuerza al material que lo lleve entre los puntos A y
B, al quitar la fuerza la descarga se
produce por la línea BAO. El valor de tensión que limita este
comportamiento se denomina
usualmente como límite elástico noval, 𝜎𝑒𝑁, denominación que se
entenderá al estudiar el tramo CD.
• Tramo BC: Escalón de cedencia del material. Macroscópicamente
se observa que el material no
requiere de un aumento de tensión para que la deformación
crezca. Esto se conoce como cedencia o
fluencia del material, aunque no en todos los materiales aparece
o tiene el mismo grado de nitidez.
Dicha fluencia está caracterizada por un valor 𝜎𝐹 el cual esta
muy próximo al límite elástico noval del
material. De hecho, en lo que sigue identificaremos
operativamente los valores hasta ahora definidos:
𝜎𝑝 ≅ 𝜎𝑒𝑁 ≅ 𝜎𝐹 = 𝜎0.002 (4)
La dificultad de medir dichos valores hace que normalmente se
tome como valor del límite elástico
del material aquel valor que deja una deformación permanente en
la probeta de 0,002.
• Tramo CD: Tramo de endurecimiento por deformación. Una vez
pasado el escalón de cedencia el
material necesita que se aumente la tensión para que aumente la
deformación. Este tramo es no lineal
disminuyendo continuamente la pendiente de la curva 𝜎 − 𝜀.
Tanto en este tramo como en el anterior se ha terminado el
comportamiento elástico, sin embargo, el
material sigue teniendo dicha propiedad. Si suponemos un punto P
dentro del tramo CD y se lleva a
cabo la descarga de la probeta, la descarga no seguirá la línea
PCBAO, sino que irá por una nueva
línea 𝑃𝑂′ la cual es paralela a la línea de comportamiento
elástico OA, alcanzando en el estado
descargado el punto 𝑂′. Esta situación es la que caracteriza el
comportamiento elastoplástico en el que
parte de la deformación total que tenía el material (𝜀𝑇) se
recupera elásticamente (𝜀𝑒) y parte se queda
en el material (𝜀𝑝) recibiendo el nombre de deformación plástica
o permanente, cumpliéndose que:
𝜀𝑇 = 𝜀𝑒 + 𝜀𝑝 (4)
Si una vez descargado el material vuelve a ser cargado la
evolución se produce a lo largo de la línea
𝑂′𝑃 de manera elástica lineal equivalente a la asociada a la
línea OA ya descrita, teniendo un límite
elástico aparente (𝜎𝑒𝑎) de valor más alto que el límite elástico
noval. Por tanto, una manera de
conseguir un acero con un límite elástico mayor consiste en
llevarlo hasta la zona de comportamiento
elástoplástico dando lugar a aceros que reciben genéricamente el
nombre de estirados en frio.
Volviendo al diagrama representado en la figura 3, cuando se
alcanza el punto D, sea cual sea el
camino seguido, se alcanza el valor de la tensión de rotura del
material, 𝜎𝑅, que es una propiedad no
alterable mecánicamente, como sí lo era el límite elástico.
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Ensayo de tracción
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• Tramo DE: Zona de estricción. A partir de un cierto instante
correspondiente al punto D, se observa
en el ensayo de tracción que cada vez hace falta menos fuerza
para separar las mordazas, lo que indica
que la probeta opone menos resistencia. La disminución de la
fuerza que hace falta aplicar para
separar las mordazas viene asociada de la aparición de una
disminución localizada y claramente
perceptible de la sección transversal de la probeta, fenómeno
que recibe el nombre de estricción.
Dado que en este caso el área transversal instantánea 𝐴 es
sensiblemente menor a la inicial 𝐴0,
conviene estudiar la evolución de la tensión verdadera 𝜎𝑣 que
está representada por un trazo
discontinuo en el diagrama de la figura 3.
En la zona elástica e incluso en la elastoplástica no hay una
diferencia significativa entre el diámetro
original y el diámetro instantáneo por lo que la tensión real 𝜎𝑣
es sólo algo superior a la tensión
ingenieril 𝜎. A partir del instante en que comienza la
estricción, el diámetro intantaneo, y por tanto el
área instantánea 𝐴, decrecen considerablemente, por lo que 𝜎𝑣,
la cual crece hasta el momento de la
rotura, se separa del valor de tensión nominal 𝜎.
Esto prueba que realmente el material sigue resistiendo en este
periodo, ya que la tensión real continúa
aumentando hasta el final. Por todo lo demás, el comportamiento
en esta zona es elastoplástico y
análogo al del tramo adyacente ya explicado.
En cualquier caso, es razonable asignar el valor de 𝜎𝑅 al máximo
de la tensión ingenieril, aun
sabiendo que la tensión real o instantánea sigue aumentando,
porque 𝜎𝑅 está asociada al valor máximo
de la carga que el elemento puede soportar, careciendo de
interés el valor máximo en el instante de
rotura del material porque ese valor corresponde a una carga
menor debido a la estricción.
Por todo esto resulta lógico estudiar el ensayo de tracción en
variables ingenieriles y no en las variables reales,
ya que estas nos dan toda la información necesaria y además son
más sencillas de evaluar.
A continuación, se verán cómo se prepara un ensayo de tracción,
todos los pasos a seguir para realizarlo y
cómo se obtienen los resultados de estos ensayos. Toda esta
información explicada a continuación viene
recogida en la norma UNE EN ISO 6892-1, que viene referida al
ensayo de tracción para materiales metálicos
a temperatura ambiente.
3.1 Preparación del ensayo de tracción
Una buena preparación es el primer paso que realizar antes de
hacer un ensayo de tracción. En este paso se
recogen todos los parámetros variables que escoge la persona que
realiza el ensayo, siempre siguiendo las
indicaciones de la norma para que el ensayo a realizar sea
válido. A continuación, se ven algunos de estos
parámetros importantes a tener en cuenta:
• Probetas del ensayo
Lo primero en la realización de un ensayo de tracción es la
creación de unas probetas que cumplan los
requisitos impuestos por la norma. Dependiendo de la forma de la
probeta, cilíndrica o prismática, y según su
área transversal, la norma da unas especificaciones que las
probetas deben cumplir.
Estos ensayos se han decidido realizar con probetas cilíndricas
de diámetro mayor de 4 mm para que su
mecanización no resulte muy laboriosa. Las probetas que se van a
usar tienen dos partes claramente
diferenciadas: la parte central, que es la parte calibrada de la
probeta y aquella que tiene menor área transversal
(5 mm de diámetro), lo que hará que la rotura durante el ensayo
se produzca por esa zona; y los extremos de la
probeta, que son de mayor área que la sección central (10 mm de
diámetro) y por donde las mordazas de la
máquina sujetarán la probeta. A continuación, en la figura 4, se
muestra un plano de las probetas en las que se
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15 Ensayo de tracción
especifican sus medidas.
Figura 4. Plano de la probeta del ensayo de tracción
Para escoger las medidas de la probeta se han seguido los
requisitos especificados en la norma:
• El radio de acuerdo mínimo entre las cabezas de amarre y la
parte calibrada debe ser el siguiente:
o 0,75*𝑑0 , donde 𝑑0 es el diámetro de la zona calibrada para
probetas cilíndricas.
• La longitud de la zona calibrada, 𝐿𝑐 , debe ser igual o
superior a:
o 𝐿0 + (𝑑0
2) en el caso de probetas cilíndricas.
• La longitud libre entre las mordazas de la máquina debe ser la
adecuada para que los puntos marcados
sobre la probeta se encuentran a una distancia mínima de √𝑆0 ,
siendo 𝑆0 el área de la sección
transversal inicial de la parte calibrada.
• Por último, la distancia inicial entre puntos, 𝐿0, está
relacionada con el área de la sección trasversal
inicial, 𝑆0, según la siguiente fórmula:
𝐿0 = k ∗ √𝑆0
(5)
Donde k es igual a 5,65.
Estas son todas las especificaciones que debe cumplir una
probeta para que el ensayo de tracción sea válido.
La norma proporciona también la siguiente tabla con medidas
normalizadas con la cual poder diseñar una
probeta válida para el ensayo.
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Ensayo de tracción
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Figura 5. Tabla de medidas normalizadas para probetas del ensayo
de tracción sacada de la norma UNE EN
ISO 6892-1
Siguiendo la tabla de la figura 5 se ha decidido escoger unas
probetas para el ensayo que tienen un diámetro
inicial,𝑑0, de 5 mm, por lo que la longitud de la parte
calibrada, 𝐿𝑐, es de 28 mm y la longitud inicial entre
puntos, 𝐿0, es de 25 mm.
Pero para que una probeta sea válida, además de cumplir las
especificaciones de tamaño, debe cumplir las
especificaciones de tolerancias de mecanizado y en la forma.
Para ello también se dispone en la norma de la
siguiente tabla, mostrada en la figura 6, en la que se
especifican las tolerancias que tienen que tener las
probetas en función de su diámetro inicial.
Figura 6. Tabla de tolerancias de la probeta del ensayo de
tracción sacada de la norma UNE EN ISO 6892-1
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17 Ensayo de tracción
Sin embargo, las especificaciones de tolerancia de mecanizado en
la dimensión nominal vienen dadas para el
caso de que no se vaya a medir la sección de cada probeta
individualmente. Como ese no es el caso, la
tolerancia de mecanizado en la dimensión nominal usada es de
±0,1 mm.
La tolerancia de forma se ha escogido que sea de 0,03 mm, tal y
como indica la tabla, lo que significa que la
diferencia entre el diámetro máximo y mínimo no ha de ser mayor
de 0,03 mm. Dentro de las diferentes
tolerancias de forma que hay, la más importante que debe cumplir
la probeta es la excentricidad, que consiste,
en resumidas cuentas, en que toda la probeta esté bien alineada,
ya que hay que evitar que al aplicar la carga de
tracción se cree una componente de momento flector que falsee
los ensayos. La norma especifica, en este
sentido, un valor máximo para el flector que la probeta debe
soportar. Dicha especificación dice que la tensión
producida por el flector no puede superar el 5% del valor de la
tensión a tracción.
• Determinación del área de la sección transversal
Una vez fabricadas las probetas, hay que determinar el área de
la sección transversal inicial para cada probeta.
Para ello se debe medir el diámetro de la parte calibrada en
varias secciones transversales perpendiculares al
eje y definir dicho diámetro inicial como la media de las
medidas tomadas. La norma dice que el número
mínimo de medidas a realizar es tres, que es el número de
medidas realizadas por probeta en este trabajo. Es
importante que los equipos utilizados para la medición de la
sección estén calibrados conforme a las normas de
referencia apropiadas y con trazabilidad a un Sistema Nacional
de Medición. La norma que regula el ensayo,
UNE EN ISO 6892-1, exige que la precisión de los equipos
utilizados para las mediciones sea igual o menor a
la tolerancia dimensional exigida, ±0,02 en este caso. Por
tanto, el equipo de medida usado para estas
mediciones es un pie de rey con una precisión de ±0,01, lo que
hace que se cumpla la norma.
• Longitud inicial entre puntos y longitud base del
extensómetro
Para la realización de los ensayos también hay que hacer la
elección de la longitud base del extensómetro y el
marcado de la longitud inicial entre puntos. La norma dice que
para una buena determinación de todas las
propiedades que nos da el ensayo de tracción, la longitud base
del extensómetro debería ser aproximadamente
igual a 𝐿0, que es igual a 25 mm. Para esto no habido problemas
ya que el extensómetro del laboratorio tiene
una longitud base inicial de 25 mm. Este extensómetro usado se
puede observar en la figura 7.
Figura 7. Extensómetro
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Ensayo de tracción
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El marcado de la longitud inicial entre puntos se usa porque
podría ocurrir que la rotura de la probeta ocurriese
por una zona fuera del rango que cubre el extensómetro, por lo
que este no daría la deformación exacta que ha
experimentado la probeta. Haciendo algunas marcas en la probeta
antes de la realización del ensayo se puede
conocer el incremento de longitud ocurrido, lo que evita que el
ensayo no sea válido. Pese que en este trabajo
se hayan marcado las probetas, ha sido solo a modo de seguridad
ya que el extensómetro, al tener una longitud
base de 25 mm, cubría casi toda la longitud calibrada que era de
28 mm, haciendo muy difícil que la rotura
ocurriese por la zona que no está dentro del extensómetro.
• Condiciones del ensayo
o Reglaje del punto de fuerza cero
El sistema de medida de la fuerza de la máquina ha de llevarse
al cero después del ensamblaje del tren de carga
del ensayo, pero antes de que la probeta se fije a ambos
extremos. Con esto se garantiza, por un lado, que el
peso del sistema de sujeción se ve compensado durante la
medición de la fuerza y, por otro, que cualquier
fuerza que resulte de la operación de amordazado no afecta a
dicha medición.
o Método de sujeción
Las probetas deben sujetarse mediante instrumentos adecuados
como cuñas, fijaciones atornilladas, mordazas
dentadas o asideros amordazados. Para estos ensayos se ha
decidido utilizar mordazas dentadas que pueden
sujetar probetas cilíndricas que tengan un diámetro en la zona
de agarre desde 5,84 a 11,94 mm, mostradas en
la figura 8, ya que las probetas del ensayo tienen un diámetro
en las zonas de agarre de 10 mm. El agarre a
través de mordazas se ha escogido debido a su fácil montaje en
la máquina y a que proporcionan un buen
agarre para este tipo de ensayos.
Es importante prestarle atención al montaje de las mordazas y
realizar una comprobación de su buena
alineación ya que la fuerza aplicada debe ser lo más axial
posible con el objetivo de minimizar el esfuerzo de
flexión en la probeta.
Figura 8. Mordazas usadas para el ensayo de tracción
o Velocidades del ensayo
El ensayo de tracción se puede realizar a través de dos métodos
que tienen una manera diferente de regular la
velocidad del ensayo. Esas dos maneras de regular dicha
velocidad son en función de la velocidad de
deformación o en función de la velocidad de puesta en carga.
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19 Ensayo de tracción
Regular la velocidad del ensayo en función de la velocidad de
deformación consiste en variar la carga a la que
se somete la probeta en función de la deformación que esta
sufre, haciendo así que la velocidad de
deformación sufrida sea constante en el tiempo. Debido a la
dificultad de realizarlo de esta manera, se ha
decidido realizar el ensayo controlando la velocidad de puesta
en carga.
Al realizar el ensayo con este método, hay que tener en cuenta
el tipo de material a ensayar. Para ello la norma
específica, en función del módulo de elasticidad del material,
unos valores u otros de velocidad de puesta en
carga los cuales pueden verse en la tabla de la figura 9.
Figura 9. Tabla de elección de velocidad de puesta en carga
sacada de la norma UNE EN ISO 6892-1
Los materiales por ensayar son aceros que en general poseen un
módulo de elasticidad mayor de 150000 MPa.
Esto conlleva que la mínima velocidad de puesta en carga a la
que se puede realizar el ensayo es de 6 MPa
𝑠−1. Puesto que la realización de estos ensayos a una gran
velocidad puede conllevar a que la visualización de
la curva del ensayo no sea lo suficientemente clara, se ha
decidido realizar el ensayo a una velocidad cercana a
la mínima permitida.
Conocido el diámetro de las probetas a ensayar, 5 mm, se puede
determinar el incremento de la fuerza que
daría lugar a una velocidad de puesta en carga de 6 MPa 𝑠−1.
Para que esto se cumpla, la fuerza a aplicar
debería aumentar en 117,8 N cada segundo. Por lo tanto, para
redondear la fuerza a aplicar se decide realizar
los ensayos aplicando un incremento de fuerza de 120 N cada
segundo, el cual da lugar a una velocidad de
puesta en carga válida para este tipo de ensayos, como se
observa a continuación.
�̇� =120 𝑁𝑠−1
(𝜋 ∗ 52
4 ) 𝑚𝑚2
= 6,1115 𝑀𝑃𝑎 𝑠−1 (6)
Una vez analizado el ensayo de tracción y escogido todos los
parámetros del ensayo, el siguiente paso es
realizar los ensayos.
3.2 Realización del ensayo de tracción
El primer punto para poder realizar los ensayos de tracción es
tener una máquina capaz de realizarlos. Para ello
se ha decidido usar la máquina MTS 810 que se encuentra en el
laboratorio del Área de Ingeniería Mecánica.
Esta es una máquina hidráulica universal de ensayos mecánicos
que permite realizar ensayos dinámicos y
estáticos. Tiene una capacidad de carga máxima de 100 kN y
permite un recorrido de desplazamiento de ±90
mm, a una frecuencia de trabajo comprendida entre 0 y 20 Hz.
Dicha máquina posee dos cabezales que pueden
desplazarse en dirección vertical. A esos cabezales se les puede
acoplar dos mordazas con las cuales agarrar la
probeta.
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El cabezal superior, mostrado en la figura 10, está anclado al
puente de la máquina y puede desplazarse
verticalmente, pero antes de comenzar el ensayo, este ha de
dejarse fijo en una posición bloqueando el puente.
Sin embargo, el cabezal inferior está accionado por un pistón
por lo que su posición durante el ensayo puede
variar siendo capaz así, al tener a la probeta agarrada por las
mordazas, de trasmitir una fuerza que puede ser
controlada.
Figura 10. Cabezal superior de la máquina de ensayos MTS 810
Lo primero a realizar al enfrentarnos al ensayo es colocar las
mordazas seleccionadas en los cabezales, las
cuales se quedan fijas gracias a un par de muelles. Una vez
fijadas las mordazas, se establece la posición
óptima del puente y se bloquea para que no se pueda desplazar.
Después se coloca la probeta entre las
mordazas del cabezal inferior y se cierran éstas agarrando a la
probeta con una presión lateral de 5 bares, lo
cual es una presión lo suficientemente alta para que la probeta
no se escape, pero lo suficientemente baja para
no deformar la probeta.
Mediante el control de la máquina se desplaza el cabezal
inferior hasta una posición en la que la mordaza
superior agarre a la probeta justo por la zona destinada a esa
función. Antes de cerrar la mordaza superior, se
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coloca el extensómetro, ya que con la mordaza cerrada hay menos
maniobrabilidad para colocarlo. Éste se
ubica en la zona calibrada de la probeta ocupando 25 mm y
dejando únicamente 1,5 mm por cada lado hasta la
zona donde se ensancha la sección trasversal.
Por seguridad para la máquina, el siguiente paso es activar unos
límites que se le imponen a la máquina y que
pueden ser en desplazamiento del pistón inferior, fuerza
realizada, etc. Una vez alcanzado alguno de los límites
preestablecidos el sistema se detiene automáticamente evitando
así dañar la propia máquina o la probeta que se
está ensayando. Para este ensayo se decidieron poner límites en
desplazamiento tanto inferior como superior
para que el pistón no se desplazara de manera brusca y chocara
con algo cuando la probeta se partiese.
Una vez definidos los límites, se cierra la mordaza superior
dejando la probeta agarrada por los dos extremos.
Cuando están cerradas completamente hay que asegurarse de que la
fuerza sufrida por la probeta es nula
cuando no se está trasmitiendo carga. Posteriormente se retira
la seguridad que tiene el extensómetro y limita
su movimiento. Hecho esto, se ajusta la deformación medida por
el extensómetro, siendo cero mientras el
ensayo no haya comenzado.
Realizados todos los pasos mencionados anteriormente, sólo queda
quitar el control manual de la máquina y
activar el programa creado para realizar el ensayo, el cual se
observa en la figura 11. Para ejecutar el ensayo se
usa el programa MTS Testar Station Manager, en el que se puede
ajustar todos los parámetros que se van a
usar en el ensayo. Dicho programa es el que te da el control de
la máquina de ensayo de manera informática.
Figura 11. Programa para realizar el ensayo de tracción
El programa creado para realizar este ensayo controla que la
máquina realice una fuerza de tracción que vaya
aumentando linealmente en 120 N/s hasta que la probeta se rompa
(o hasta que se alcance algún límite que
pare el programa). Por tanto, el extensómetro ira registrando la
deformación que sufre la probeta hasta su
rotura y mostrando ésta por pantalla en función de la
fuerza.
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Al finalizar el ensayo, el sistema crea un documento en el que
se registran el desplazamiento del pistón inferior
en mm, la fuerza que ejerce dicho pistón en N, la deformación
registrada por el extensómetro en mm y la
deformación calculada en mm/mm.
Figura 12. Realización del ensayo de tracción
3.3 Obtención de resultados
Una vez terminado el ensayo, el software de la máquina crea un
fichero con todos los datos registrados. Como
ya se ha comentado anteriormente, la máquina registra la fuerza
aplicada, pero no la tensión, lo que conlleva a
la obligación de la realización de un cálculo del valor de la
tensión en función de la fuerza soportada y el área
de la probeta.. Para ello se dividen los valores de fuerza
registrados en cada ensayo por el área inicial
transversal de la probeta de dicho ensayo, conociendo así la
tensión nominal soportada por la probeta. Una vez
obtenida, se realiza el diagrama tensión-deformación del ensayo,
del cual se pueden obtener diversas
propiedades del material. Sin la necesidad de cálculos previos,
de este diagrama se pueden obtener dos
propiedades que son la tensión de rotura y el alargamiento
porcentual.
La resistencia a tracción o tensión de rotura del material es la
máxima tensión que soporta el material antes de
romperse. En el diagrama tensión-deformación del material, el
valor de dicha tensión se obtiene conociendo el
valor máximo de tensión registrado.
El alargamiento porcentual se define como el tanto por ciento de
deformación que la probeta tiene después de
la rotura. Es decir, es lo que se alarga la probeta antes de
partirse. Ésta se suele medir en tanto por ciento y es
claramente visible ya que es el último valor de deformación
registrado por la máquina, justo en el momento de
la rotura.
La siguiente propiedad por obtener del material es la pendiente
de la recta de la parte elástica del ensayo la
cual relaciona tensión y deformación de manera lineal para ese
tramo. Esta propiedad recibe el nombre de
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23 Ensayo de tracción
módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young, 𝐸, y
cumple, para el tramo de comportamiento
elástico del material, la siguiente igualdad:
𝜎 = 𝐸 ∗ 𝜀 ⇒ 𝐸 =𝜎
𝜀 (7)
Esta propiedad determina la tensión que se debe realizar para
conseguir una deformación de valor unidad y se
mide en MPa.
Una vez conocido el módulo de elasticidad se puede hallar el
límite elástico del material, el cual, como ya se
ha comentado, se aproxima como la tensión que provoca una
deformación permanente del 0,2%. Para hallar
dicho valor se traza en el diagrama tensión-deformación una
recta de pendiente igual al módulo de elasticidad
que comienza a tensión nula en el valor de deformación de 0,2%.
El valor del límite elástico del material será
el valor de tensión en el que dicha recta corta a la curva del
ensayo de tracción.
En conclusión, con estos ensayos se intentará obtener cuatro
propiedades mecánicas de los materiales
ensayados: resistencia a la tracción o tensión de rotura,
alargamiento porcentual, módulo de elasticidad y límite
elástico.
3.4 Resultados del ensayo de tracción
Para los ensayos de tracción se ha dispuesto de 15 probetas, 5
de cada acero a estudiar, las cuales han sido
previamente medidas para una mayor exactitud en la realización
de los ensayos. A cada probeta se le han
hecho tres mediciones del diámetro de la sección calibrada,
obteniendo como valor definitivo la media de estas
tres mediciones.
Una vez realizados todos los ensayos, para conseguir una
visualización más clara del comportamiento de cada
material se ha decidido superponer en una misma gráfica
tensión-deformación los cinco ensayos de cada
material. Así se puede observar la disparidad que tuviesen los
ensayos en un mismo material. Para ello
también se va a calcular la desviación típica de los resultados
y el coeficiente de variación de Pearson, que se
utiliza para calcular el nivel de desviación de una serie de
datos respecto a la media aritmética y se obtiene
dividiendo la desviación típica entre la media.
Además de las gráficas con las curvas tensión-deformación
ingenieril de cada material, se mostrarán a
continuación para cada material una gráfica en la que se puede
observar la curva que daría lugar con la tensión
y la deformación verdadera. Si tanto la tensión, 𝜎, y
deformación ingenieril, 𝜀 , como la tensión, 𝜎𝑣 , y
deformación verdadera, 𝜀𝑣 , se definen como se muestran a
continuación:
𝜎 =𝐹
𝐴0 𝜀 =
∆𝐿
𝐿0=
𝐿 − 𝐿0𝐿0
(8) y (9)
𝜎𝑣 =𝐹
𝐴 𝜀𝑣 = ∫
𝑑𝐿
𝐿
𝐿
𝐿0
= ln𝐿
𝐿0
(10) y (11)
Se puede hallar la siguiente relación entre ellas:
𝜀𝑣 = ln𝐿0 + ∆𝐿
𝐿0= ln (1 +
∆𝐿
𝐿0) = ln(1 + 𝜀)
(12)
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𝐴 ∗ 𝐿 = 𝐴0 ∗ 𝐿0 = 𝑐𝑡𝑒 → 𝐿
𝐿0=
𝐴0𝐴
→ 𝜎𝑣 = 𝜎 𝐴0𝐴
= 𝜎𝐿
𝐿0
(13)
𝜀𝑣 = ln𝐿
𝐿0= ln(1 + 𝜀) →
𝐿
𝐿0= (1 + 𝜀) ⇒ 𝜎𝑣 = 𝜎 (1 + 𝜀)
(14)
Sin embargo, hay que tener en cuenta que esta hipótesis
realizada sólo es válida el tramo previo a la estricción,
por lo que en las gráficas que se mostrarán a continuación, una
vez llegado a dicho tramo, la curva verdadera
mostrada no refleja el comportamiento exacto en variables
reales.
Por tanto, para cada acero, se muestran tres gráficas con curvas
tensión-deformación: una primera con los
valores ingenieriles de los cinco ensayos, una segunda con una
curva con valores ingenieriles y otra curva con
valores verdaderos y una tercera gráfica con los valores
verdaderos de los cinco ensayos; además de todos los
resultados obtenidos para los tres aceros que se estudian en
este proyecto: F-1, 34CrNiMo6 y 316L.
Para concluir este punto, para cada acero se realizará una
comparación entre los valores obtenidos
experimentalmente y los dados por el catálogo de la empresa
proveedora y por el certificado de calidad del
material.
3.4.1 Resultados del ensayo de tracción para el acero F-1
El primer material ensayado ha sido el acero F-1. En la tabla 6
mostrada a continuación se pueden observar
algunos de los resultados obtenidos de este ensayo para las
cinco probetas de este material.
En las primeras filas de la tabla se muestran las mediciones
realizadas al diámetro de la sección calibrada, que
dan lugar al valor medio de diámetro que ha sido usado para
realizar los cálculos.
En las dos últimas filas de la tabla se muestran los resultados
de tensión de rotura y deformación máxima
sufridos por el material en cada ensayo. Dichas propiedades se
obtienen de hallar el valor máximo de la
tensión y de la deformación sufridas por la probeta, por lo que
se obtienen directamente sin necesidad de la
realización de cálculos.
Tabla 6. Resultados del ensayo de tracción de las cinco probetas
del acero F-1
Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3 Probeta 4 Probeta 5
D1 (mm) 5,009 5,013 5,009 5,017 4,994
D2 (mm) 5,005 5,007 4,994 5,018 4,985
D3 (mm) 5,009 5,014 5,007 5,016 5,001
Diámetro medio (mm) 5,008 5,011 5,003 5,017 4,993
Tensión Máx. (MPa) 583,6 577,8 577,8 580,2 583,7
Deformación Máx. (%) 17,5 17,3 16,9 18,9 17,4
El primer paso para dar por válido los ensayos es comprobar si
las probetas cumplen los requisitos de
tolerancias geométricas y de forma impuestas por la norma UNE en
ISO 6892-1. Esta imponía una tolerancia
geométrica de ±0,1 𝑚𝑚 y una tolerancia de forma de 0,03 𝑚𝑚. Si
se observan todas las probetas ensayadas,
se puede confirmar que cumplen los requisitos impuestos por lo
que son válidas para los ensayos.
En consecuencia, dando por válidos los ensayos realizados, se
obtiene que la tensión de rotura del acero F-1
ensayado es:
𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎 ≡ 𝜎𝑅 = 580,6 𝑀𝑃𝑎
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La desviación típica en la obtención de este resultado es de
2,91 lo que da lugar a un coeficiente de variación
del 0,5 %. Esto implica, para el acero ensayado, una poca
dispersión en la obtención del valor de esta
propiedad.
Por el otro lado, el alargamiento porcentual del material
ensayado es de:
𝐴𝑙𝑎𝑟𝑔𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 ≡ 𝐴 = 17,6 %
Este resultado tiene una desviación de 0,77, lo que conlleva a
un coeficiente de variación del 4,38%. Este es
un valor de dispersión mayor que el anterior. Pese a esto,
fijándose bien en los ensayos, salvo en el cuarto
ensayado realizado que da un resultado del 18,9 %, en los otros
cuatro ensayos se centra en torno a un valor de
del 17 % aproximadamente, por lo que se puede decir que la
dispersión obtenida es fruto de ese cuarto ensayo
que dio un valor algo alejado de los demás.
Los valores de estas dos propiedades mecánicas ya calculadas se
pueden observar en la curva tensión-
deformación que experimenta este acero en los ensayos de
tracción realizados. Dicha curva se muestra a
continuación en la figura 13 donde la tensión viene reflejada en
MPa y la deformación en tanto por ciento.
Figura 13. Curva tensión-deformación experimental del acero
F-1
Dicha curva muestra el comportamiento que sufre este acero
cuando es sometido a tracción. Como se puede
observar, existen diversos tramos claramente diferenciables que
sufre el acero antes de alcanzar la rotura. En la
primera parte de la curva se puede observar un tramo de
deformación elástica lineal que concluye
aproximadamente al alcanzar el límite elástico del material.
Después de un pequeño tramo de fluencia, el
material entra en un tramo de endurecimiento por deformación que
concluye al alcanzar la tensión de rotura
del material. Una vez alcanzada dicha tensión, el material entra
en la zona de estricción, en la que la probeta
comienza a sufrir una reducción de su área trasversal hasta
finalmente alcanzar la rotura completa. Como se
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Ensayo de tracción
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puede observar, una vez alcanzada la zona de estricción,
comienza a existir cierta dispersión entre los
diferentes ensayos. Esto es debido a que la estricción no se
genera en el mismo punto ni de la misma manera
en todas las probetas por lo que la dispersión entre los ensayos
es entendible.
Una vez conocidas la tensión de rotura y el alargamiento
porcentual del material, el siguiente paso es obtener
el módulo de elasticidad del material y su límite elástico. Para
la obtención del módulo de elasticidad del
material se ha seguido lo indicado por la norma UNE en ISO
6892-1. Esta dice que el módulo de elasticidad
ha de estimarse como la pendiente de la recta formada por dos
puntos concretos. Dichos dos puntos son
aquellos con un valor de tensión igual al 10% y al 40% del valor
del límite elástico del material. Para hallar
estos puntos se ha recurrido a un proceso iterativo que, a
partir de una primera aproximación, obtiene los
valores reales del módulo de elasticidad y del límite elástico
del material. A continuación, en la tabla 7, se
muestran los valores del módulo de Young obtenidos en cada
ensayo.
Tabla 7. Valores del módulo de elasticidad para los cinco
ensayos del acero F-1
Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3 Probeta 4 Probeta 5
E (MPa) 214420 213930 214820 214360 211000
Por tanto, realizando la media a los cinco valores de módulo de
elasticidad del material obtenidos en los
ensayos se puede decir que el módulo de elasticidad o de Young
del acero F-1 ensayado es de:
𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 ≡ 𝐸 = 213706 𝑀𝑃𝑎
El cual está en torno al valor típico de módulo de elasticidad
de los aceros, que suele ser aproximado por 210
GPa.
Para hallar el límite elástico del material sólo hay que trazar
una línea de pendiente igual al módulo de Young
y que empiece en el valor de deformación del 0,2%. Entonces el
punto con el que dicha recta corta con la
curva tensión-deformación es el que indica el valor del límite
elástico del material. En la tabla 8 se observan
los valores de límite elástico para cada ensayo, con los cuales,
haciéndoles la media se obtiene el valor del
límite elástico del material.
Tabla 8. Valores del límite elástico para los cinco ensayos del
acero F-1
Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3 Probeta 4 Probeta 5
Límite elástico (MPa) 536,7 529,2 530,3 536,7 537,5
Por tanto, se puede decir que el límite elástico del acero F-1
ensayado es de:
𝐿í𝑚𝑖𝑡𝑒 𝐸𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 = 𝜎0,2 = 534,1 𝑀𝑃𝑎
El valor del límite elástico de este material es bastante
cercano al valor de su tensión de rotura. Sin embargo,
hay que tener en cuenta que este acero ensayado ha sido
previamente estirado en frio para aumentar su límite
elástico por lo que el valor obtenido es mayor del que tendría
el material si no hubiera sido tratado.
• Comparación con el comportamiento en variables reales
Como se ha comentado anteriormente, se ha calculado, tanto para
este acero como para los demás, la tensión y
la deformación verdadera soportada en los ensayos. Por tanto, a
continuación, en la figura 14 se muestra una
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gráfica en la que se ven reflejadas en rojo, la curva en
variables ingenieriles, y en azul la curva en variables
reales.
Figura 14. Comparación entre curva verdadera e ingenieril para
el acero F-1
Como se puede contemplar, las dos curvas son iguales en la parte
elástica del material hasta alcanzar el límite
elástico. Una vez superado este punto y entrado en la zona de
endurecimiento por deformación, la curva
verdadera toma valores de tensión mayores, debido a que poco a
poco, el área de la probeta comienza a
reducirse tomando valores menores al área inicial. Esto se
traduce en un aumento de la tensión verdadera
como se observa en la gráfica. Una vez alcanzada la tensión de
rotura, como ya se ha comentado
anteriormente, la hipótesis realizada para el cálculo de la
tensión verdadera deja de ser válida por lo que la
curva comienza a decrecer cuando realmente esta debería seguir
creciendo.
A continuación, en la figura 15, se puede observar no sólo la
curva en variables reales del primer ensayo del
acero F-1, si no las curvas de los cinco ensayos realizados
superpuestas en una misma gráfica.
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Figura 15. Curvas tensión-deformación verdadera para los cinco
ensayos del acero F-1
3.4.2 Resultados del ensayo de tracción para el acero
34CrNiMo6
Para el siguiente acero, 34CrNiMo6, se ha trabajado igual que
para el acero anterior. Primero se han medido
los diámetros de la sección calibrada de las probetas y
posteriormente se les ha realizado los ensayos de
tracción a las probetas de este material, obteniendo así los
valores de tensión de rotura del material y de
alargamiento porcentual tal y como se muestran en la tabla
9.
Tabla 9. Resultados del ensayo de tracción de las cinco probetas
del acero 34CrNiMo6
Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3 Probeta 4 Probeta 5
D1 (mm) 5,011 5,008 5,017 5,017 5,022
D2 (mm) 5,016 4,996 5,014 5,019 5,02
D3 (mm) 5,017 5,026 5,015 5,017 5,005
Diámetro medio (mm) 5,015 5,010 5,015 5,018 5,016
Tensión Máx. (MPa) 1135,2 1134,3 1140,2 1137,0 1134,6
Deformación Máx. (%) 11,8 10,2 10,9 11,0 12,1
Siguiendo los pasos realizados para el otro acero, primero se
comprueba que las probetas cumplen los
requisitos de tolerancia impuestos por la norma UNE en ISO
6892-1. Una vez verificado que las probetas son
válidas, se realizan los ensayos y se obtienen los valores de
tensión de rotura y alargamiento porcentual
mostrados en la tabla 9.
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Realizando la media de los cinco valores obtenidos, se concluye
que la tensión de rotura del acero 34CrNiMo6
ensayado es de:
𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎 ≡ 𝜎𝑅 = 1136,3 𝑀𝑃𝑎
Este acero tiene un valor de tensión de rotura realmente alto,
llegando a ser casi el doble del valor para el acero
F-1. Esto es debido a que este acero está preparado para
soportar grandes cargas sin romperse, siendo uno de
los aceros más resistentes que existe en el mercado.
La desviación en la obtención de este valor es de 2,44 lo que da
lugar a un coeficiente de variación del 0,21%.
Este es un valor bajo que refleja la poca dispersión entre los
valores obtenidos por los cinco ensayos de esta
propiedad, dándole así mayor fiabilidad al resultado
obtenido.
La otra propiedad calculada, el alargamiento porcentual, tiene
como valor:
𝐴𝑙𝑎𝑟𝑔𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 ≡ 𝐴 = 11,2 %
Este valor indica que este acero no se deforma mucho antes de
alcanzar la rotura, en comparación con los otros
dos aceros estudiados. Como se observará en la figura 16
mostrada a continuación, este acero no presenta un
tramo largo de endurecimiento por deformación por lo que la
tensión de rotura se alcanza poco después de
alcanzar el límite elástico del material, lo que conlleva a que
el material entre en la zona de estricción
llevándolo rápidamente al colapso sin que sufra una gran
deformación.
La desviación de en la obtención de este valor es de 0,74 lo que
da lugar a un coeficiente de variación del
6,64%. Este es un valor grande que refleja una alta dispersión
entre los diferentes ensayos, en lo que a la
deformación del material se refiere, lo que le resta fiabilidad
al valor obtenido.
Estos valores de las propiedades mecánicas del material se
pueden observar a continuación, en la figura 16,
donde se muestra la curva tensión-deformación del acero
34CrNiMo6. En esta se refleja el comportamiento de
este material cuando es sometido a tracción.
Figura 16. Curva tensión-deformación para el acero 34CrNiMo6
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Ensayo de tracción
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En la figura 16 se muestran las curvas de los cinco ensayos
realizados. Si se observan detenidamente se puede
observar que, en los cinco ensayos, el material tuvo el mismo
comportamiento desde el inicio del ensayo hasta
alcanzar la tensión de rotura. Una vez superado este punto, ya
no todas las probetas tuvieron el mismo
comportamiento, lo que es debido a que la estricción no ocurre
exactamente igual en todas las probetas, dando
lugar a una cierta dispersión entre los ensayos en ese último
tramo.
El siguiente paso por realizar es obtener el módulo elástico del
material, que se calcula como la pendiente de la
recta del tramo elástico en la curva tensión-deformación. Sin
embargo, si se observa detenidamente el tramo
elástico del material, se puede observar que es no lineal, lo
que hace que no se pueda calcular el módulo de
elasticidad para este material. En la figura 17 que se muestra a
continuación se observa con más detalle el
tramo elástico del material.
Figura 17. Tramo elástico de la curva tensión-deformación del
acero 34CrNiMo6
Al no conocer el módulo de elasticidad del material, la
obtención del límite elástico del material se vuelve más
difícil. Para ello la norma UNE en ISO 6892-1 plantea un método
alternativo. Este consiste en, una vez
excedido el límite elástico convencional supuesto, la fuerza se
reduce a un valor igual aproximadamente a un
10 % de la fuerza obtenida. La fuerza se incrementa entonces de
nuevo hasta que exceda el valor obtenido
inicialmente. Para determinar el límite elástico convencional
deseado se dibuja una línea a través del lazo de
histéresis. Se dibuja entonces una línea paralela a esta línea,
a una distancia desde el origen corregido de la
curva, medida a lo largo del eje de abscisas, igual al
porcentaje no proporcional prescrito. La intersección de
esta línea paralela con la curva fuerza-extensión proporciona la
fuerza correspondiente al límite elástico
convencional. Este valor se calcula dividiendo esta fuerza entre
el área de la sección transversal inicial de la
probeta, 𝑆0. Este método se puede observar gráficamente en la
figura 18 mostrada a continuación.
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