Ensayo de Tracción de Aceros

Objetos del Ensayo

Determinar las características mecánicas en barras de acero sometidas a un esfuerzo de tracción para establecer las tensiones admisibles de trabajo, así como su resistencia y ductilidad.

El procedimiento de ensayo se realiza de acuerdo a lo indicado en Norma I.R.A.M 500-102

Descripción del Ensayo

Para la ejecución del ensayo, debemos confeccionar una probeta, extrayendo un trozo de aproximadamente 70 cm de largo de la barra cuyo acero quiere ensayarse. Se determinara el ensayo de la probeta y se marca la misma, con la marcadora existente para tal objeto, con puntos a cada 2,5 cm, con el fin de establecer la longitud inicial y también poder medir el alargamiento que sufre hasta la rotura.

Se fija la probeta en la maquina de ensayo, mediante un dispositivo constituido por dos mordazas simétricas que se ajustan a la probeta mediante el mecanismo de la maquina.

Se aplica a la probeta una carga inicial de 500 Kg, para dar al conjunto probeta - mordaza una tensión inicial a fin de asegurar el perfecto ajuste de ambos elementos y evitar así lecturas falsas.

Se coloca en la probeta los instrumentos denominados extensómetros que sirven para obtener lecturas de las deformaciones o alargamiento que sufre la probeta al incrementares la carga de tracción.

Se somete a la probeta a una carga estática (aplicando las fuerzas en forma lenta y progresiva) anotando las lecturas del extensómetro cada determinados valores de cargas, los que servirán para el trazado del diagrama cuya curva representara el comportamiento mecánico del acero.

Los extensómetros se retiran antes de la rotura, cuando se manifiesta en fluencia. El ensayo concluye con la determinación de la carga de rotura, registrada en el dial indicador de la maquina.

Una vez rota la probeta se toma la medida final de la longitud entre los puntos marcados y el diámetro en la sección de rotura

Comportamiento Mecánico del Acero

Por sus características el acero puede clasificarse en acero liso AHÍ -220,que es acero dúctil, con un limite de fluencia de alrededor de 2400 Kg/cm2, y una resistencia a la rotura por tracción del orden de 4000Kg/cm2, con un porcentaje de 0,25% de carbono.

Aceros especiales de alta resistencia, obtenida por tratamientos mecánicos o con elementos de aleación, generalmente aleteados o nervurados, en su conformación superficial.

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Diagrama de Acero liso Dúctil

Vemos en un diagrama como se comporta un acero dúctil al ser sometido a tracción,representando en ordenadas las cargas y en abscisas el alargamiento l.

Se observa en el gráfico que desde el origen O hasta el punto A, hay una recta que manifiesta la proporcionalidad entre cargas y alargamiento y donde los aceros presentan la particularidad que la barra retoma su longitud inicial al cesar de actuar la carga. Esta recta corresponde al periodo elástico y el punto A se denomina limite de proporcionalidad, hasta donde se cumple la ley de Hooke, que relaciona linealmente tensiones con las deformaciones a través del modulo de elasticidad E, constante para cada material que en el caso de los aceros y fundiciones vale aproximadamente 2.100.000 Kg./cm2.

A partir del punto A hasta el punto B los alargamientos crecen más rápido que las cargas, empero si se descarga no quedan deformaciones plásticas, por lo que el punto, por lo que el punto B se denomina limite de elasticidad y a partir de allí el material pasa a comportarse como plástico, es decir que al descargar la probeta volviendo la carga a cero, queda un alargamiento permanente, como se observa en el dibujo.

Siguiendo con el aumento de carga llegamos al punto C, donde se produce una detención de carga que oscila entre dos valores que se llaman limites de fluencia, superior e inferior, mientras que las deformaciones crecen en forma rápida hasta el punto D.

Este periodo denominado de fluencia, es característico exclusivamente en los aceros dúctiles, no apareciendo en los aceros endurecidos. La carga de fluencia así obtenida en la aguja indicadora del dial de la maquina de ensayo, dividida por el área inicial de la barra nos permite obtener la tensión de fluencia, valor fundamental en él calculo de las estructuras con acero, ya que dividido por el coeficiente de seguridad del acero comprendido entre 1,7 y 2, obteniendo la tensión admisible de trabajo.`

Mas allá del punto de fluencia D, las cargas vuelven a incrementarse aunque con un pronunciado aumento de alargamientos, entrando en las zonas de grandes deformaciones plásticas, hasta el punto F, donde la carga alcanza su valor máximo, lo que dividida por el área inicial nos da la tensión máxima o resistencia a la tracción.

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AB

CD

E

F

F

l

A partir del punto E el alargamiento se concentra en una zona determinada de la probeta, denominada de estricción, donde se produce una contracción localizada y disminuye la sección, lugar donde se produce la rotura y separación en dos partes de la probeta. Como disminuye la sección real el valor de la carga a partir de E se va reduciendo hasta alcanzar el punto F denominado de arrancamiento o rotura.

El mismo diagrama puede quedar también representado por tensiones definidas como la carga sobre la sección inicial y las deformaciones especificas, que es la relación entre el alargamiento 1 y la base de medida del extensómetro b0 distancia entre las cuchillas de apoyo sobre la probeta, entre las cuales se mide la deformación.

Características de los Aceros semidúctiles o endurecidos

En el diagrama visto de los aceros dúctiles, la rotura se produce tras un gran alargamiento (alrededor del 30 %), por lo que no puede utilizarse en valores cercanos a su max, tomándose la tensión admisible en alrededor del 30 % de la máxima.

El material esta así desaprovechado por lo que puede obtenerse una mayor resistencia a través de un endurecimiento mecánico o bien químico a través de las alecciones con manganeso, níquel cromo etc. .

El endurecimiento mecánico puede ser efectuado sobre el acero dúctil de dos formas una de ellas es procediendo a carga hasta un valor superior al periodo de fluencia hasta un punto genérico cualquiera, A, donde se procede a descargar.

Teniendo entonces un acero semidúctil, cuyo diagrama al ser sometido a un nuevo ensayo de tracción corresponde a partir del punto O’ obteniéndose una mayor resistencia y una menor deformación final de rotura.

La explicación de lo sucedido se debe a que se ha desarrollado una modificación de la estructura interna del material, como consecuencia de la deformación plástica producida hasta la carga A, mas allá del limite de fluencia, que ha provocado deslizamiento de los planos cristalográficos internos

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Dúctil

Semidúctil

A

010

del material, compactándolos y consolidándolos en su estructura; por lo que un nuevo ciclo de carga el material tendrá una resistencia mayor.

La otra forma mecánica de endurecer un acero dúctil es a través de un trabajo en frío de torsión de la barra, obteniéndose igualmente - mayor resistencia y menor alargamiento final (Alrededor del 8 %).

En estos aceros como consecuencia del trabajo mecánico en frío a que fueron sometidos, tienen menor ductilidad que un acero dúctil y por consecuencia una reducción de posibilidad de que los planos cristalinos se deslicen por lo que no se produce fluencia, y el diagrama conservara ahora una cueva continua.

Como no se registra el periodo de fluencia se toma un procedimiento convencional denominado limite convencional o limite 0,2 que se define como la tensión que produce en el material una deformación - plástica o permanente de 0,2 %

.La determinación gráfica trazando en el diagrama y determinando en el eje de las deformaciones un valor = 0,2 % = 0,002 o bien 20 *10 -4 según la escala ya que no tiene unidad. Desde ese punto - se traza una paralela a la recta inicial hasta interceptar la curva y desde allí una horizontal hasta cortar el eje de las tensiones, determinando así - el valor 0,2 o tensión convencional de fluencia. ( Norma I.R.A.M. 755) .

Extensómetro :

Los extensómetros son instrumentos que permiten medir las deformaciones longitudinales que se producen sobre la probeta traccionada.

Los hay de varios tipos: Los mecánicos por su tipo constructivo como el de cuadrante o dial y luego otros llamados electrónicos y también los acústicos.

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C

0,002

ACEROS DUROS

Determinaciones en el ensayo de tracción

1) En el ensayo de tracción de una barra de acero dúctil (tipo I ) se deberán encontrar los siguientes valores :

a) Alargamiento porcentual de rotura:

La determinación de este valor tiene enorme importancia para el conocimiento de la ductilidad del material. Las probetas son marcadas con la “ marcadoras de probetas “ previo al ensayo de tracción. Se identificarán 10 veces el diámetro (Ii) y luego de la rotura de la probeta, - se unen las partes efectuándose una nueva medición (If).

b)Estricción

Una vez alcanzada la carga máxima se produce un estrangulamiento en una zona determinada de la probeta, que se denomina estricción y es en esa zona donde se producirá la rotura. Esa disminución de sección hace que se llegue a la rotura cuando la carga es inferior a la carga máxima aplicada diferencia que se acrecienta con la tenacidad del material.

La estricción porcentual será fx 100 = A

o Sección inicial

F = Sección final de la probeta en la zona de rotura.

c)Carga de fluencia

Registramos en el dial de cargas de la maquina universal. los valores correspondientes a las fluencia, cuando la aguja se detiene y oscila levemente. Dicha carga dividida por la sección inicial A o nos da la tensión de fluencia, que dividido a su vez por el coeficiente de seguridad nos dará la tensión admisible de calculo.

d)Carga Máxima

Registramos la carga máxima que señala el mismo dial de la maquina, la que dividida por la sección inicial, nos da la tensión de inicial, nos da la tensión máxima.

e)Modulo de Elasticidad.

Registradas las deformaciones en el extensómetro correspondiente con las tensiones

de acuerdo a la ley de Hooke se obtiene el modulo de elasticidad E.

Tomando solamente aquellos valores comprendidos hasta él limite de proporcionalidad, y promediados, pues la ley de Hooke corresponde a una ecuación lineal valida solamente hasta ese punto del diagrama.

Él modula de elasticidad E es una constante para cada material y que para aceros esta en el orden de 2.100.000 Kg./cm2.

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En el ensayo de tracción de una barra de acero semidúctil (tipo III según PRAEH) es decir, endurecido y conformada en frío necesitamos determinar:

f) Diámetro Equivalente

Como la barra presenta una conformación superficial (nervaduras) que tienen por objeto mejorar la adherencia del acero al hormigón, se establece el diámetro equivalente (e).

Este seria el de una barra lisa, que tiene la misma masa por unidad de longitud que la barra conformada.

e = 12,74 m = [m] = Kg. ; [ l ] = m ; [e] = mm ldonde m = es la masa de la barra en Kg. y “l” su longitud en metros .

g)Limite 0,2 :Una vez trazado el diagrama se toma sobre el eje de las deformaciones el valor de

0,2 % = 0,002 {o bien 20 x 10 -4 )y se traza una paralela al periodo inicial del diagrama hasta cortar la curva ,leyendo sobre el eje de las tensiones el valor que será denominada ,tensión convencional de fluencia, el cual dividido por el coeficiente de seguridad nos dará la tensión admisible.

P lectura b0

Kg. Kg. /cm2 10 - 3 mm. Común 10 – 4 Común

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Tabla Tipos de Aceros para Estructuras de Hormigón y sus Propiedades

Forma uso 1 2 3 4 5en obra Barras de Acero Mallas de AceroTipo Acero AL - 220 ADN -420 ADM 420 AM-500

Elaboración del Acero

Laminado en caliente s/trat

Dureza Natural

Dureza Mecánica

Dureza Mecánica

Conformación superficial

Lisa ( L ) nervurada( N)

nervurada( N)

barras lisas barras perfiladas(P)Nervurada(N)

Designación Abreviada

I II D.N III D.M IV ( L ) IV ( C )

Diámetro nominal”ds”mm

6-8-10-12-1620-25-32-40y 50

6-8-10-12-1620-25-32 y 40

6-8-10-12-1620-25-32 y40

3 a 12 3 a 12

Limite de fluencia característicos (MN/m2)

220

9

420 420 500 500

Resistencia a tracción característicaz (MN/m2)

340 500 500 550 550

Alargamiento de Rotura característico( % )

18 12 10 6 6

Esfuerzo de Corte de los nudos S en las mallas ( KN )

__________ __________

__________

0,175 Amax

*0,15Amax

Diámetro del mandril de doblado 180° ( mm )

2 d s d s 25;3,5 ds

25d s 25;3,5 ds

32 d s 25;3,5 ds

3d s 4 d s 4 d s

=Área de la sección transversales la barra de mayor diámetro de la unión soldada en mm2

Tipo de Acero para las armaduras de las estructuras de Hormigón según las especificaciones o características

En la tabla N°1 de la pagina figuran los tipos de aceros para estructuras de hormigón según las especificaciones del PRAEH (Proyecto de reglamentación de estructura de Hormigón) ,en el cual se establecen 5 tipos de acero y los valores mínimos que deben cumplir en un ensayo de tracción las tensiones de fluencia ;la resistencia a la rotura y el alargamiento porcentual.

Aceros para armaduras ,especificaciones Tracción y plegado

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Tipo Designación Tensión característica al limite de fluencia real o convencional

Resistencia de rotura tradicional a traccióneh

(Kg./cm2)

Alargamiento característico mínimo determinado sobre los diámetrosark ( % )

Plegado a 180° Diámetro del

mandril o perno

I Común 2300 3500 20 1.dII Común

torsionado en frío

3700

410010 2.d

III Conformado para hormigón y torsionado en frío

4400 4900 9 3.d

IV Estirado en frío .Para

5000 5500 Liso 8Conformado 7

3.d liso4.d

Conformadomallas 5500 6050 Liso 8

Conformado 5.dV Conformado

para hormigón y torsionado en frío

5500 6050 8 5.d

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Preguntas

1) ¿Cual es la diferencia entre una deformación plástica y una elástica?

2) ¿Puede que un material sea frágil y rígido a la vez?

3) Durante el ensayo: a) ¿Cómo te das cuenta que la pieza esta en periodo de fluencia?b) ¿Cuándo se retira el extensómetro de la probeta?

4) ¿Cuál es la diferencia entre el hierro y el acero? Las barras utilizadas en las estructuras de hormigón armado ¿son de acero o de hierro?

5) En el siguiente diagrama ¿Cuál es la zona de :a) Estricciones importantes localizadasb) Proporcionalidadc) Fluenciad) Elasticidade) Deformaciones plásticas

6) ¿Puede que un material sea elástico y no responder a la ley de Hooke?

7) En un acero dúctil, que se deforma de la siguiente forma ¿cómo se toma él limite de fluencia? Indicar además que se mide en cada eje.

8) Se realizó un ensayo de tracción, obteniéndose los siguientes valores, indicados en la siguientes tabla. Se pide

Peso EstiramientoKgf 10 –3 mm500 2,21000 4,51500 6.92000 8,32500 11,43000 13,6

a) Graficar la tensión en función del alargamiento específico.b) Hallar el módulo de elasticidad.

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A

BC

D

E

F

F

l

Datos de la probeta:Long i= 20 mm Diámetro =16 mm