Características de tensión-deformación del aluminio

En comparación con la mayoría de los metales, el aluminio tiene una relación resistencia-peso superior, resistencia a la corrosión y facilidad de fabricación. Como resultado, el aluminio es uno de los metales más utilizados y se emplea en productos que van desde latas de refrescos hasta componentes aeroespaciales.

La resistencia del aluminio puro es muy baja, pero sus propiedades mecánicas pueden mejorar sustancialmente con la aleación y el tratamiento térmico. Estos procesos permiten su amplia aplicación en materiales mecánicos y eléctricos. Debido a que es el segundo material estructural después del acero, la obtención de una curva de tensión y deformación para el aluminio es crucial para determinar los límites predecibles y seguros de su uso.

En este video, veremos el comportamiento de la deformación por tensión de un tipo común de aluminio utilizando la prueba de tracción uniaxial estándar.

El aluminio es liviano y tiene aproximadamente 1/3 de la densidad del acero. Su módulo de elasticidad, que a menudo se cita como de unos 70 gigapascales, o 10.000 kilolibras por pulgada cuadrada, es también aproximadamente 1/3 del del acero.

Al igual que con el acero, las propiedades mecánicas del aluminio pueden mejorar sustancialmente mediante la aleación, principalmente con zinc, cobre, manganeso, silicio y magnesio. El trabajo enfriado o el endurecimiento por deformación, donde el material se lamina o se estira a través de tintes, también puede aumentar la resistencia.

La prueba de tracción uniaxial se utiliza normalmente para estudiar el comportamiento elástico de metales como el aluminio. Esta prueba genera una curva de deformación por tensión que muestra cómo el material se alarga y luego falla a medida que aumenta la fuerza aplicada.

La falla del aluminio, o de cualquier material, progresa a través de varios pasos. Estrechamiento, nucleación de vacíos, crecimiento y coalescencia de vacíos, propagación de grietas y, finalmente, fractura. El aluminio 6061-T6 tiene buena resistencia y rigidez y es fácil de terminar y anodizar. Se usa comúnmente en carcasas para muchos productos electrónicos como computadoras portátiles y televisores.

Esta es la curva de tensión y deformación para el aluminio 6061-T6. Observe cómo su curva de tensión y deformación no exhibe un punto de fluencia brusco, sino más bien una disminución gradual en el módulo de elasticidad. Aunque este aluminio falla, el proceso es gradual y es difícil definir un punto de falla claro cuando se observa la curva de tensión-deformación.

Para determinar un límite elástico con fines de ingeniería, ASTM y otras organizaciones han adoptado el enfoque de compensación del 0,2%. Este método requiere determinar una línea de mejor ajuste para la parte lineal del comportamiento y dibujar una línea con la misma lentitud que comience con una deformación del 0,2%. La segunda línea interseca la curva de tensión-deformación en un punto que se define arbitrariamente como el límite elástico.

Ahora que entendemos las propiedades del aluminio y cómo se pueden diseñar, veamos cómo medir la curva de tensión y deformación para determinar sus características dúctiles y mecánicas.

Obtenga una muestra de prueba cilíndrica para aluminio común, como 6061-T6. Use un calibre para medir el diámetro en varios lugares cerca de la mitad del espécimen. Realice estas mediciones con una precisión de 2000 pulgadas.

A continuación, sostenga el espécimen firmemente y marque una longitud de calibre de aproximadamente dos pulgadas. Asegúrese de que la longitud del calibre esté claramente grabada, pero con un rasguño poco profundo para que no se convierta en una concentración de tensión que pueda provocar una fractura. Mida la longitud real del calibre marcado con una precisión de 2000 pulgadas más cercana.

Por último, instale una galga extensométrica. El espécimen ya está listo para ser analizado.

Para este experimento utilizaremos una máquina de ensayo universal, o UTM, para medir las propiedades de tracción de la muestra. Primero, encienda la máquina de prueba e inicialice el software. Configure los parámetros de gráficos y adquisición de datos. A continuación, seleccione una prueba que sea compatible con el protocolo ASTM E8. Tenga en cuenta las tasas de deformación para el rango elástico e inelástico. A continuación, establezca cualquier acción adicional en el software, como detener la máquina con una resistencia a la tracción del 5%.

Levante manualmente la cruceta para que toda la longitud de la muestra quepa fácilmente entre las empuñaduras superior e inferior. Inserte con cuidado la muestra en la empuñadura superior hasta aproximadamente el 80% de la profundidad de la empuñadura. Alinee la muestra dentro de la empuñadura superior y apriétela ligeramente para evitar que la muestra se caiga.

Baje lentamente la cruceta superior. Una vez que la muestra esté dentro de aproximadamente el 80% de la profundidad de la mordaza inferior, comience la alineación de la muestra dentro de las mordazas inferiores. El espécimen debe flotar en el centro de la empuñadura inferior. Aplique presión lateral a la muestra a través de las mordazas para asegurarse de que no se produzca ningún deslizamiento durante la prueba.

El proceso de apriete introduce una pequeña carga axial en la muestra. Utilice el software para ajustar y minimizar esta precarga y registrar su valor. Fije el extensómetro electrónico de forma segura a la muestra de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Las cuchillas del extensómetro deben estar aproximadamente centradas en la muestra.

Comience la prueba aplicando la carga de tracción a la muestra y observe la lectura en vivo de la carga aplicada en la pantalla de la computadora. Confirme que la muestra no se desliza a través de las mordazas asegurándose de que la carga medida esté aumentando. Algún tiempo antes de que se produzca un error en la muestra, el software pausa automáticamente la prueba. Deje la muestra en la máquina de prueba y retire el extensómetro. Reanude la aplicación de la carga de tracción hasta el fallo. Al alcanzar la carga máxima, las cargas medidas comenzarán a disminuir. En este punto, el espécimen comienza a cuello. La fractura final debe ocurrir en esta región con cuello a través de un desgarro dúctil.

Una vez finalizada la prueba, levante la cruceta, afloje la empuñadura superior y retire la pieza rota de la muestra. Luego, afloje la empuñadura inferior y retire la otra mitad de la muestra. Registre el valor a la carga máxima de tracción. Guarde los datos registrados y la curva de tensión-deformación. Encaje cuidadosamente los extremos de la muestra fracturada y mida la distancia entre las marcas de calibre con una precisión de 2000 pulgadas más cercana. Registre la longitud final del calibre.

Finalmente, mida el diámetro de la muestra en la sección transversal más cercana a la 2000 de pulgada más cercana.

Veamos ahora cómo analizar los datos que acabamos de recopilar. En primer lugar, calcule el porcentaje de alargamiento de la muestra conociendo la longitud de calibre final y la longitud de calibre inicial. Calcule la reducción de área para cada espécimen utilizando el diámetro final y el diámetro inicial de la muestra. A continuación, calcule otros parámetros del material utilizando las curvas experimentales de tensión-deformación.

Se trata de un gráfico de los datos de las galgas extensométricas hasta el límite elástico de aproximadamente el 0,3%. La pendiente de la curva de deformación por tensión en esta región es el módulo de Young y es de aproximadamente 9.998 kilolibras por pulgada cuadrada, que está cerca del valor nominal de 10.000 kilolibras por pulgada cuadrada. El valor de R cuadrado de 0,999 indica una excelente linealidad para estos datos.

Estos son los datos de un extensómetro hasta una deformación del 5%. La curva muestra un carácter bilineal, con una porción elástica larga seguida de una meseta de rendimiento con una pendiente baja. Para encontrar el límite elástico de un material que no presenta un límite elástico claro, como este espécimen, utilizamos el método de desplazamiento del 0,2%.

Primero, trazamos una línea a lo largo de la parte lineal inicial de la curva. A continuación, duplícalo a partir de una deformación del 0,2%. La segunda línea interseca la curva que se define arbitrariamente como el límite elástico. En este caso, es de unos 44,2 kilolibras por pulgada cuadrada. Esto está por encima del límite elástico nominal de este aluminio, que es de 40 kilolibras por pulgada cuadrada.

Si trazamos los datos muy cerca del límite elástico, el límite proporcional es la tensión donde la curva comienza a desviarse de la linealidad, alrededor de 39,1 kilolibras por pulgada cuadrada para este espécimen.

Esta es la curva completa de deformación por tensión con los datos por debajo de una deformación de aproximadamente el 5% del extensómetro y por encima de una deformación del 5% del desplazamiento de la cruceta. La tensión máxima es de aproximadamente 46.1 kilolibras por pulgada cuadrada a una deformación de aproximadamente 6.5%. Esta resistencia máxima está justo por encima de la resistencia máxima nominal de 45 kilolibras por pulgada cuadrada. La tensión en el fallo es de unos 33,5 kilolibras por pulgada cuadrada. La tenacidad es el área bajo la curva de deformación por tensión y se puede calcular con la regla trapezoidal para que sea de 2,2 kilolibras por pulgada cuadrada.

Las mediciones de la muestra tratada térmicamente indican que este tipo de aluminio puede tener elongaciones en el rango de 8 a 13%. Es importante tener en cuenta que el porcentaje de elongación es un valor promedio para la longitud del material entre las marcas de calibre. Casi toda la deformación, sin embargo, ocurre en un pequeño volumen alrededor de la región del cuello, por lo que la deformación local podría ser mucho mayor que la deformación promedio.

En general, la falla progresa desde el estrechamiento hasta la nucleación y el crecimiento de los vacíos, la propagación de grietas y, finalmente, la fractura. La superficie de falla es coherente con este proceso. En el caso del aluminio, una elongación inferior al 5% puede considerarse frágil, mientras que una elongación superior al 15% puede considerarse dúctil. El porcentaje de elongación en este espécimen es relativamente grande. ¿Cómo debemos describir este material?

Podemos comparar su superficie de falla con la de dos tipos diferentes de acero. El tamaño de la ??? para el aluminio la muestra es mayor que para un acero laminado en frío frágil, pero menor que para un acero laminado en caliente dúctil, por lo que este tipo de aluminio se puede caracterizar como semidúctil.

Además, podemos observar las curvas de tensión-deformación para estos tres metales. El acero C1018 laminado en frío tiene una alta resistencia, indicada por la baja deformación a alta tensión, pero falla a aproximadamente el 10% de elongación, lo que muestra su baja ductilidad. Por el contrario, el acero A36 laminado en caliente, más dúctil, tiene una elongación mucho mayor hasta un máximo de casi el 25% con una tensión menor que el acero laminado en frío. El aluminio 6061-T6 que acabamos de probar tiene menor resistencia y falla a una elongación menor que cualquiera de los aceros.

Veamos ahora algunas de las aplicaciones comunes de los ensayos de tracción del aluminio. El uso más importante de las curvas de tensión-deformación es en el control de calidad durante la fabricación de aluminio. Las normas ASTM requieren pruebas en muestras representativas de cada calor de aluminio y los resultados deben ser rastreables a los puntos de referencia establecidos. Los fabricantes utilizan normas como la ISO TS 16949 para el control de calidad y la garantía de calidad de los materiales para la automoción y otras industrias.

El papel de aluminio para la industria de la cocina tiene la flexibilidad deseada para que se pueda manejar y plegar fácilmente. Del mismo modo, el aluminio utilizado en las latas de refrescos debe ser lo suficientemente fuerte como para conservar su forma cuando se sostiene, pero fácilmente triturable cuando sea necesario. Las pruebas de tracción garantizan que estas láminas delgadas de aluminio tengan las cualidades mecánicas especificadas.

Acabas de ver la introducción de JoVE a las características de deformación por tensión del aluminio. Ahora debe conocer la prueba de laboratorio de las normas ASTM E8 para determinar las propiedades de tracción de los materiales metálicos. También debe comprender cómo preparar una muestra para las pruebas ASTM y obtener la curva de tensión y deformación para el aluminio típico.

¡Gracias por mirar!