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UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS
TÉCNICO EN INGENIERÍA MECÁNICA
CICLO - AÑO II – 2015
Guía de Laboratorio N° 5Nombre de la Práctica: “Ensayo Estático y Dinámico de los Materiales” Lugar de Ejecución: Taller de Mecánica y Taller de Soldadura Tiempo Estimado: Materia: Docente:
12 horas clase Materiales y sus Propiedades Inga. María Eugenia Martínez Rodríguez
I. OBJETIVOS
Identificar el equipo de medición de tracción y aplique las cargas correspondientes para realizar las pruebas de ensayo de tracción.
II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
El ensayo consiste en someter la probeta a esfuerzo axial aplicando tensiones cada vez mayores, hasta alcanzar la rotura. Durante la realización del ensayo se registran la deformación de la probeta y la carga aplicada, siendo dichos datos los empleados para la determinación de los parámetros buscados.
PROBETAS, FORMA Y MEDIDAS
La forma y las medidas de las probetas dependen de los materiales y aplicaciones cuyas características mecánicas se desean determinar. La probeta se obtendrá, generalmente, por mecanizado de una muestra elaborada a partir del material de interés, también puede ser una muestra moldeada. En el caso de productos de sección constante (perfiles, barras, alambres, cables etc.) o de las muestras en forma de barras obtenidas por moldeo (por ejemplo: fundición o aleaciones no férreas) se pueden utilizar como probetas las muestras sin mecanizar. Lasección recta transversal (parte calibrada) puede ser circular, cuadrada, rectangular, anular; y en ciertos casos particulares, de otras formas.
“Ensayo de Tracción de los Materiales""(Estático)
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Probetas mecanizadas: Las probetas mecanizadas deberán tener un radio de acuerdo suave entre la parte calibrada y los extremos, ya que ambas partes son de diferente medida; esto se hace con el propósito de disminuir la concentración de esfuerzos. Los extremos pueden ser de cualquier forma que se adapte a los dispositivos de sujeción de la máquina de ensayo.
Dimensiones normalizadas de probetas cilíndricas normal y reducida, según norma ASTM E-8M
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DIAGRAMA DE ENSAYO DE TRACCIÓN
La siguiente figura muestra los cambios graduales que se efectuaron al aplicar tensión a la probeta, se esquematiza el avance del ensayo comparando con la gráfica.
Donde: E: Límite de elasticidad P: Límite de proporcionalidad B: Límite aparente de elasticidad o límite de fluencia R: Límite de rotura U: Rotura efectiva
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EJERCICIO. Ensayo de tracción para un acero 1020 de 10mm de diámetro en probeta.
Carga (N) Longitud (mm)
Tensión (Ơ) (N/mm2)
Alargamiento unitario (ε)
Sección (mm2)
0 50 0 0 78,5
12700 50,02 161,78344 0,0004
25400 50,05
38100 50,08
50800 50,1
76200 50,15
89100 50,2
92700 50,25
102500 50,38
107800 50,51
119400 50,76
128300 51,02
149700 52,03
159000 53,05
160400 53,56
159500 54,06
151500 54,08
124700 55,84
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La sección hay que calcularla según la siguiente fórmula, donde hay que tener en cuenta el diámetro de la probeta ya que se trata de un cilindro:
𝑠𝑠 = 𝜋𝜋 ∗ 𝑅𝑅2 = 𝜋𝜋 ∗ �𝐷𝐷2�
2
= 𝜋𝜋 ∗ �102 �
2
= 78.5 𝑚𝑚𝑚𝑚2
La tensión generada se calcula dividiendo la carga aplicada entre la sección de la probeta:
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑠𝑠𝑇𝑇ó𝑇𝑇 =𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝑇𝑇𝐴𝐴𝐶𝐶𝐴𝐴𝐶𝐶 (𝑁𝑁)
𝑆𝑆 = 𝑆𝑆𝑇𝑇𝐴𝐴𝐴𝐴𝑇𝑇ó𝑇𝑇 𝐴𝐴𝑇𝑇 𝐴𝐴𝐶𝐶 𝐴𝐴𝐶𝐶𝑝𝑝𝑝𝑝𝑇𝑇𝑝𝑝𝐶𝐶
Los datos que tenemos son longitud y tensión, a partir de los cuales sacamos el alargamiento unitario que se obtiene a partir de la siguiente fórmula:
𝜀𝜀 =�𝐿𝐿𝑓𝑓 − 𝐴𝐴𝑜𝑜�
𝐴𝐴𝑜𝑜=∆𝐿𝐿𝐴𝐴𝑜𝑜
Una vez que obtenemos el alargamiento unitario, representamos una gráfica de tensión frente a alargamiento unitario(a):
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RESULTADOS DEL ENSAYO
La resistencia a la rotura por tracción se obtiene dividiendo la carga máxima de rotura por la sección transversal inicial de la probeta.
𝜎𝜎𝐵𝐵 =𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐴𝐴𝑇𝑇 𝑅𝑅𝑝𝑝𝑝𝑝𝑅𝑅𝐶𝐶𝐶𝐶
𝑆𝑆𝑇𝑇𝐴𝐴𝐴𝐴𝑇𝑇ó𝑇𝑇 𝐴𝐴𝑇𝑇 𝐴𝐴𝐶𝐶 𝐴𝐴𝐶𝐶𝑝𝑝𝑝𝑝𝑇𝑇𝑝𝑝𝐶𝐶=𝑃𝑃𝑆𝑆
El alargamiento se calcula según:
𝐴𝐴𝐴𝐴𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝 % =�𝐿𝐿𝑓𝑓 − 𝐴𝐴𝑝𝑝� �100�
𝐴𝐴𝑝𝑝
Donde: 𝐿𝐿𝑓𝑓 = 𝐿𝐿𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑝𝑝 𝑓𝑓𝑇𝑇𝑇𝑇𝐶𝐶𝐴𝐴 𝐿𝐿𝑜𝑜 = 𝐿𝐿𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑝𝑝 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝐴𝐴𝑇𝑇𝐶𝐶𝐴𝐴
La deformación total se determina como: 𝛿𝛿 = 𝐿𝐿𝑓𝑓 − 𝐴𝐴𝑜𝑜
La deformación unitaria se determina como:
∈=𝐿𝐿𝑓𝑓 − 𝐴𝐴𝑝𝑝𝐿𝐿𝑝𝑝
=𝛿𝛿𝐿𝐿𝑝𝑝
Donde:
𝐿𝐿𝑓𝑓 = 𝐿𝐿𝑝𝑝𝑇𝑇𝐶𝐶𝑇𝑇𝑝𝑝𝑅𝑅𝐴𝐴 𝑓𝑓𝑇𝑇𝑇𝑇𝐶𝐶𝐴𝐴𝐿𝐿𝑜𝑜 = 𝐿𝐿𝑝𝑝𝑇𝑇𝐶𝐶𝑇𝑇𝑝𝑝𝑅𝑅𝐴𝐴 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝐴𝐴𝑇𝑇𝐶𝐶𝐴𝐴
El módulo de elasticidad o módulo de Young E se determina por:
𝐸𝐸 =𝜎𝜎∈
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RESULTADOS DEL ENSAYO DE TRACCIÓN
Parámetro Formulación Resultado
Resistencia a la Rotura
% de Alargamiento
Deformación Total
Deformación Unitaria
Módulo de Elasticidad
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III. MATERIALES Y EQUIPO
Equipo del alumno: Gabacha, gafas, herramienta personal, guía del alumno, cuaderno y lapicero (evitar llegar con pulseras, collares o cadenas, anillos u otro objeto que pueda poner en riesgo su vida). Equipo para las prácticas:
Material Equipo
• Aluminio• Bronce• Hierro• Acero 1020• Acero 1045
• Máquina Universal de Ensayos detracción y accesorios para el ensayo.
• Calibrador o Vernier.• Punzón
IV. PROCEDIMIENTO
• Discusión de la guía práctica.
• Realización de ensayos.
• Tome las dimensiones iniciales de la probeta, de acuerdo con las especificaciones de lamisma en la norma ASTM E 8. Utilice el calibrador para tomar las mediciones.
• PRECAUCION: ¡La Máquina Universal de Ensayos solo debe ser manejada por elpersonal del laboratorio!
• Se colocará la probeta en las mordazas de la máquina, asegurándose que la fijaciónsea la correcta.
• Se sujetará el extensómetro sobre la probeta y se colocará las escalas en la posicióninicial.
• Se aplicará una carga a velocidad uniforme hasta alcanzar la ruptura.
• Se generará un archivo de datos de Carga aplicada y desplazamiento.
• Discusión de los resultados.
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“Ensayo de Flexión de los Materiales" (Estático)
I. OBJETIVOS
Identificar el equipo de medición de flexión y aplicar las cargas correspondientes para realizar las pruebas de ensayo de flexión de los distintos materiales. Analizar los comportamientos de los materiales homogéneos aplicando fuerzas sobre la viga en el centro y aplicándolas también sobre sus tercios.
II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
HIPÓTESIS DE FLEXIÓN
1a. HHipótesis: Es un elemento sometido a flexión dentro del límite elástico, en el cual se mantiene en un plano antes y después de la flexión.
2a. HHipótesis: TTodos los materiales son perfectamente homogéneos e isótropos((isotropía: es la características de los materiales de tener las mismas propiedades en todas direcciónes con un módulo elástico igual en tensión y compresión).
Cuando a un cuerpo se le aplica una carga y aparecen esfuerzos de compresión y tensión, se dice que está sometido a flexión.
Si se tiene un elemento sobre el cual actúan unas fuerzas de tal manera que tiendan a inducir esfuerzos compresivos sobre la parte superior y sobre la parte inferior esfuerzos tensivos o de tensiópn de dicho elemento se comprenderá que está sometido a flexión.
Se deben analizar los esfuerzos máximos dentro del límite elástico. Las dimensiones de la probeta son:
Se recomienda tener tener dos muestras con las fibras en distintas direcciones.
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FALLAS EN FLEXIÓN
Para el hierro fundido y para el concreto simple las fallas que se presentan son siempre de
manera súbita.
Las fallas de vigas de concreto armado pueden ser:
1. Palla del acero, debido a los esfuerzos sobre el punto de cedencia resultante en las grietasverticales sobre el lado tensado de la viga.
2. La falla del concreto en compresión que se presentan en las fibras mas alejadas del ejeneutro.
3. Las fallas del concreto por tensión diagonal debido a los esfuerzos cortantes excesivos que
resultan en la formación de grietas que descienden diagonalmente hacia las reaccionestornándose frecuentemente horizontales justamente arriba del armado principal en lasvigas simples.
Las fallas en vigas de madera son:
1. Pueden fallar en compresión directa a la superficie cóncava.
2. Pueden romperse a tensión sobre la superficie convexa.
3. Pueden fallar por la flexión lateral de las fibras, actuando como columpio.
4. Pueden fallar por esfuerzo cortantes horizontales a lo largo de la fibra, cerca del eje neutro.Este tipo de fallas es súbito, es muy común en la madera de tamaños estructurales de ((madera desecada).
5. Puede fallar en compresión perpendicular a la fibra en los puntos de carga concentrada.
PPROBLEMA
Se efectuó un ensayo de flexión en una viga de madera de pino con una longitud de 37.5 cm.,
de peralte de22.07 cm. y la huella de 4.86 cm. La distancia entre los apoyos es de 333cm. y
el módulo de elasticidad es de 1800 ksiKsi obteniéndo los siguientes resultados:
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Datos: b = 4.86 cm d = 2.7 cm L = 33 cm E = 1800 ksi
Calcular: a) MMomento de inercia a tensión.b) MMomento flexionante para una carga concentrada.c) Esfuerzo máximo.d) Esfuerzo máximo en flexión.e) DDeflexión máxima (flecha).
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III.MATERIALES Y EQUIPO
Equipo del alumno: Gabacha, gafas, tapones auditivos, mascarilla, herramienta personal, guía del alumno, cuaderno y lapicero (evitar llegar con pulseras, collares o cadenas, anillos u otro objeto que pueda poner en riesgo su vida).
Material Equipo
MMadera MMáquina para ensayos de flexión.
Calibrador.
IV.PROCEDIMIENTO
Discusión de la guía práctica.
Realización de ensayos de compresión. Discusión de los resultados.
V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Realice un reporte escrito de los procesos que ejecutó en la práctica.
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Realice una tabla comparativa de los datos obtenidos de las pruebas de ensayos realizada.
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II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
“Ensayo de Compresión de los Materiales" (Estático)"
I. OBJETIVOS
Identificar el equipo de medición de compresión y aplicar las cargas correspondientes para realizar las pruebas de ensayo de compresión de los distintos materiales.
II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
COMPRESIÓN
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Se considera columna corta cuando el grado de esbeltez es igual o menor a 2.Se considera columna mediana cuando el grado de esbeltez es mayor de 2 y menor que 4.Se considera columna esbelta cuando el grado de esbeltez es mayor a 8.
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III. MATERIALES Y EQUIPO
Equipo del alumno: Gabacha, gafas, tapones auditivos, mascarilla, herramienta personal, guía del alumno, cuaderno y lapicero (evitar llegar con pulseras, collares o cadenas, anillos u otro objeto que pueda poner en riesgo su vida).
Material Equipo
Madera. Nylon. PVC.
Máquina para ensayo de compresión.
Calibrador.
IV.PROCEDIMIENTO
Discusión de la guía práctica.
Realización de ensayos de compresión. Discusión de los resultados.
V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Realice un reporte escrito de los procesos que ejecuto en la práctica.______________________________________________________________________________________
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____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
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____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
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Realice una tabla comparativa de los datos obtenidos de las pruebas de ensayosrealizada.
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I. OBJETIVOS
Identificar el equipo de medición de impacto y aplique las cargas correspondientes para realizar las pruebas de ensayo de impacto para distintos materiales.
II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
IMPACTO
Actualmente tenemos estructuras, equipos y maquinaria las cuales están sometidas a cargas dinámicas que involucran además esfuerzos de impacto.
Un tipo de carga dinámica es aquella que se aplica súbitamente, como es el caso del impacto de una masa en movimiento.
¿Qué ocurre al producirse un impacto?
Cuando un cuerpo a velocidad determinada golpea, se produce una transferencia de energía, esta produce un trabajo en las partes que recibió el golpe.
La mecánica del impacto, además de abarcar los esfuerzos inducidos, toma en cuenta la transferencia, absorción y la disipación de energía.
La energía de un golpe puede absorberse de la siguiente manera:
a) A través de la acción friccional de las partes.
b) A través de la deformación plástica de los miembros o partes del sistema.
c) A través de los efectos de inercia de las partes en movimiento.
“Ensayo de Impacto de los Materiales" (Dinámico)
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PROBETA PARA IMPACTO
Cuando se realizan ensayos de impacto con aceros de alto y mediano contenido de carbono, se pueden emplear probetas sin ranura, debido a que se rompen con facilidad al recibir el golpe porque son frágiles. Para lograr que se fracturen las probetas se recomienda se ranuren en la forma siguiente:
a) Con entalladuras (muescas) en forma de “V” que se usa en probetas de materialesfibrosos, dúctiles y algunos materiales frágiles.
b) La entalladura en forma de “U” se efectúa en materiales considerados de durezamedia o mayor.
c) La entalladura en forma de ojo de cerradura se efectúa en materiales sintéticos comoplásticos, acrílicos materiales poliméricos).
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El efecto de la ranura es conectar los esfuerzos en su raíz e inducir patrones de esfuerzos axiales que limitan el flujo plástico e incrementan el límite elástico del material debido a que la mayor parte de energía de ruptura es absorbida en una sola región de la pieza, originando una fractura de tipo quebradiza. La tendencia de un material dúctil es de comportarse como un material frágil, al romperse la probeta ranurada, a esto se le denomina “sensibilidad de ranura de los materiales”.
ENSAYOS DE IMPACTO CHARPY E IZOD
Son los métodos más comúnmente usados, en ambos se emplea el péndulo y las probetas ranuradas. La diferencia es que Charpy, la probeta la apoya en un yunque, como una viga simplemente apoyada y en el método Izod, la probeta se coloca como una viga en cantiliver.
Generalmente las máquinas para ensayo de impacto utilizan los siguientes elementos: 𝑊𝑊 =peso del péndulo 19.31 kg
𝛼𝛼 = ángulo inicial (Charpy=160.5°)
(Izod= 80.3°)
𝛽𝛽 =ángulo de elevación
𝐻𝐻 =altura de caída del centro de gravedad del péndulo ℎ = altura de elevación del centro de gravedad del péndulo 𝑅𝑅 = distancia del centro de gravedad del
péndulo a eje de rotación cero.
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El ensayo de impacto es de tipo dinámico en el cual se golpea y se puede llegar a la ruptura mediante un golpe dado a una probeta seleccionada, la cual debe ser maquinada y pulida superficialmente, usualmente ranurada. Por lo tanto la prueba de impacto se define como: la energía necesaria para romper una barra prueba por una carga con impulso. Que no es otra cosa que indicio de la tenacidad de un material sometido a la carga de choque.
También se define como el choque de dos materiales dejando en el material sometido a prueba una huella.
Generalmente el ensayo de impacto se efectúa mediante el uso de una pieza que cae (se conoce la masa de la pieza o de un péndulo oscilante o un votante rotatorio). En algunos ensayos se produce la fractura con un solo golpe, en otros se emplean varios golpes.
Un péndulo pesado inicia con una altura (H), gira describiendo un arco golpeando a la probeta, la rompe y continúa su giro alcanzando una elevación menor final (h).
Conociendo la posición inicial, la elevación final y el ángulo del péndulo se calcula la diferencia de energía potencial; esta diferencia es la energía absorbida por la probeta durante su ruptura.
IMPACTO CHARPY
Cuando una estructura recibe un golpe a cierta velocidad genera una transferencia de energía la cual puede ocasionar una rotura del material. En este caso los materiales deben ser sometidos a pruebas de impacto para calcular su resistencia. De tal forma que el método Charpy nos permite conocer la resistencia al impacto de un determinado material, el cual se somete al impacto de la masa de un péndulo que golpea el material cuando este se encuentra estático. Se toman ciertas lecturas las cuales se detallan a continuación para obtener el dato que se necesita.
La fórmula que se emplea es: 𝑬𝑬𝑬𝑬 = 𝒑𝒑 ∗ 𝒈𝒈 ∗ (𝒉𝒉 − 𝒉𝒉′))
Donde: h= longitud inicial del martillo o péndulo h´= longitud final después del impacto contra la probeta g= Constante de gravedad. p= peso del martillo. E= fuerza adsorbida por la probeta
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Los siguientes datos son resultado de la prueba de impacto para un acero 1045
Completar la siguiente tabla con los resultados de la prueba de impacto Charpy
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
h=
h´= g= p= E=
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
h=
h´= g= p= E=
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Completar la siguiente tabla con los resultados de la prueba de impacto Charpy
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 h=
h´= g= p= E=
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 h=
h´= g= p= E=
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 h=
h´= g= p= E=
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III. MATERIALES Y EQUIPO
Equipo del alumno: Gabacha, gafas, herramienta personal, guía del alumno, cuaderno y lapicero (evitar llegar con pulseras, collares o cadenas, anillos u otro objeto que pueda poner en riesgo su vida).
Equipo para la práctica:
Material Equipo • Acero 1020• Bronce• Aluminio• PVC
• Máquina para Ensayos de Impacto• Calibrador o Vernier• Cinta métrica
IV. PROCEDIMIENTO
• Discusión de la guía práctica.
• Realización de ensayos Charpy.• Discusión de los resultados.
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