Estudio de la aplicabilidad de un sensor de distancia para la medición de la deformación en una probeta sometida a tensión

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(1)ESTUDIO DE LA APLICABILIDAD DE UN SENSOR DE DISTANCIA PARA LA MEDICIÓN DE LA DEFORMACIÓN EN UNA PROBETA SOMETIDA A TENSIÓN.. RAÚL SANTOS MURILLO. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D.C. 2010.

(2) ESTUDIO DE LA APLICABILIDAD DE UN SENSOR DE DISTANCIA PARA LA MEDICIÓN DE LA DEFORMACIÓN EN UNA PROBETA SOMETIDA A TENSIÓN.. RAÚL SANTOS MURILLO. PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO. ASESOR LUIS MARIO MATEUS SANDOVAL, I.M.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D.C. 2010.

(3) CONTENIDO.. INTRODUCCIÓN. 1.. OBJETIVOS 1.1 OBJETIVO GENERAL. 1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS.. 2. MARCO TEORICO. 2.1 ESFUERZO 2.2 DEFORMACIÓN. 2.2.1. Deformación elástica. 2.2.2. Deformación plástica. 2.3 EL ENSAYO DE TENSIÓN. 2.3.1. Preparación de la prueba.. 2.3.2. Diagrama esfuerzo deformación.. 2.3.3. Modulo de elasticidad.. 2.4 DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN.. 3. 2.4.1. EXACTITUD.. 2.4.2. RESOLUCIÓN DEL INSTRUMENTO.. 2.4.3. CALIBRACIÓN.. RESULTADOS Y DISCUSIONES. 3.1 ERROR RESULTANTE DEL CÁLCULO DEL MODULO DE YOUNG A PARTIR D E LA EXTENSIÓN REPORTADA POR LA MAQUINA DE ENSAYOS UNIVERSALES INSTRON 5586. 3.2 CARACTERIZACIÓN Y CALIBRACIÓN DEL SENSOR DE DISTANCIA LASER, BAUMER. OADM 13I6475/S35A 3.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE INSTALACIÓN DEL SENSOR EN LA MÁQUINA DE ENSAYOS UNIVERSAL. 3.4 VERIFICACIÓN DE LOS DATOS REGISTRADOS POR EL SENSOR YA INSTALADO. 3.5 ENSAYOS DE TENSIÓN CON SENSOR Y EXTENSÓMETRO.. 4. CONCLUSIONES.. 5. BIBLIOGRAFIA..

(4) LISTA DE FIGURAS Figura 1. Extensómetro convencional de 50mm .....................................................................7 Figura 2. Soluciones existentes al problema de no poder utilizar un extensómetro convencional en un ensayo de tensión.......................................................................................................7 Figura 3. Tipos de esfuerzo....................................................................................................9 Figura 4. Representación del ensayo de tensión. .................................................................. 10 Figura 5. Ejemplo de probeta estándar para un ensayo de tensión. ....................................... 11 Figura 6. Ejemplo de curva esfuerzo‐deformación para una aleación de aluminio................... 11 Figura 7. Curvas Esfuerzo‐deformación Probeta 1................................................................. 13 Figura 8. Curvas Esfuerzo‐deformación Probeta 2................................................................. 13 Figura 9. Curvas Esfuerzo‐deformación Probeta 3................................................................. 14 Figura 10. Curvas de extensión Vs tiempo para la probeta 2, Rojo (sin extensómetro) y azul (con extensómetro)............................................................................................................ 15 Figura 11. Curvas de deformacion Vs tiempo para la probeta 2, Rojo (sin extensómetro) y azul (con extensómetro) en la zona elástica (tiempos menores a 20 segundos)............................. 15 Figura 12. Curvas Esfuerzo‐deformación Probeta 1, resaltando el punto de análisis................ 16 Figura 13. Esfuerzo aplicado a la probeta 2 contra el tiempo en el intervalo de análisis (t<7 s). ......................................................................................................................................... 16 Figura 14. Deformacion sin extensómetro Vs el tiempo de la probeta 2 para t<7s .................. 17 figura 15. Deformacion con extensómetro Vs tiempo de la probeta 2 para t<7s ..................... 17 Figura 16. Montaje de calibración 1 ..................................................................................... 18 Figura 17 Curva de calibración en función de la corriente de salida del sensor. ...................... 19 Figura 18. Curva de calibración en función del voltaje en la resistencia acoplada a las terminales de salida del sensor. .......................................................................................... 19 Figura 19. Geometría de los imanes utilizados para la instalación del sensor. D= 3cm H=0,8mm. ......................................................................................................................................... 19 Figura 20. Montaje de calibración 2..................................................................................... 20 Figura 21 Curva de calibración en función de la corriente de salida del sensor con imán......... 20 Figura 22 Curva de calibración, voltaje en la resistencia en función de la distancia medida por el sensor con imán................................................................................................................. 20 Figura 23. Montaje en la calibración del sensor laser utilizando el centro de mecanizado CNC ......................................................................................................................................... 21 Figura 24 Curva de calibración del sensor utilizando el centro de mecanizado CNC................. 22 Figura 25. Vista isométrica, frontal y lateral del sistema de montaje del sensor en la máquina de ensayos......................................................................................................................... 22 Figura 27 Montaje del sensor en la máquina de ensayos universal. ....................................... 23 Figura 26 elongación calculada con la medición de distancia del sensor................................. 23 Figura 28. Comparación de las curvas de extensión contra el tiempo a 4 mm/s...................... 24 Figura 29. Comparación de las curvas de extensión contra el tiempo a 5 mm/s...................... 24 Figura 30. Comparación de las curvas de extensión contra el tiempo a 6 mm/s...................... 25 Figura 31. Comparación de las curvas de extensión contra el tiempo a 7 mm/s...................... 25 Figura 32. Comparación de las curvas de extensión contra el tiempo a 8 mm/s...................... 26 Figura 33. Comparación de las curvas de extensión contra el tiempo a 9 mm/s...................... 26.

(5) Figura 34. Medición de una distancia constante registrada por el sistema de adquisición. ...... 27 Figura 35. Datos registrados por el sistema de adquisición de datos sin tener instalado el sensor laser........................................................................................................................ 28 Figura 36 Método de aplicación de filtro a los datos ............................................................. 29 Figura 37. Curva de medición de distancia estática con filtro 2dS2 implementado................. 30 Figura 38. Comparación de curvas de deformación contra el tiempo obtenidas a partir de información del extensómetro, el sensor y la maquina en la zona elástica ............................. 31 Figura 39. Comparación de curvas de esfuerzo Vs deformación obtenidas a partir de información del extensómetro, el sensor y la maquina. ........................................................ 31 Figura 40. Comparación de curvas de esfuerzo Vs deformación obtenidas a partir de información del extensómetro, el sensor y la maquina en la zona elástica. ............................ 32 Figura 42.Curvas de Esfuerzo deformación con el extensómetro y el sensor .......................... 35 Figura 41 .diseño e implementación de montaje del sistema sobre la probeta ....................... 35 Figura 43. Curvas de Esfuerzo deformación con el extensómetro y el sensor en la zona elástica. ......................................................................................................................................... 36 Figura 44. Montaje del sistema en una probeta de Nylon después de deformarse.................. 36.

(6) LISTA DE TABLAS Tabla 1. Calculo del error relativo entre el modulo de Young del material calculado con y sin extensómetro. ................................................................................................................... 14 Tabla 2 Resumen de la confirmación de la calibración en maquina de ensayos....................... 26 Tabla 3 Resultados de la medición estática con sensor.......................................................... 28 Tabla 4 Resultados de la implementación de los filtros ......................................................... 30 Tabla 5. Comparación de resultados del modulo de Young del material para los 3 casos......... 32 Tabla 6 comparación de los módulos de Young calculados para 15 probetas......................... 33 Tabla 7. Valores de extensión reportados por el extensómetro en la zona elástica con respecto al esfuerzo aplicado............................................................................................................ 34.

(7) INTRODUCCIÓN Uno de los ensayos mecánicos más comunes y fundamentales para la caracterización de las propiedades mecánicas de los materiales es el de tensión. Este ensayo mide la deformacion de un material ante una fuerza estática o aplicada lentamente a tensión. Con el objetivo de calcular la deformación de la probeta, utilizando un extensómetro o galga extensometrica se mide la cantidad que se elonga el espécimen en una longitud calibrada con anterioridad, así lo que se mide es el cambio de longitud ∆L, en una longitud determinada Lo. Como resultado del ensayo es posible obtener información acerca de la resistencia, el modulo de Young y la ductilidad de material. En algunos casos específicos no es posible hacer uso del extensómetro convencional de la figura 1 para determinar la elongación del espécimen, esto debido a geometrías complejas o simplemente la ausencia del equipo adecuado, en estas situaciones la elongación medida asociada al desplazamiento del cabezal de la máquina de ensayos es la suma de la elongación de la probeta mas la elongación de los componentes de la maquina que están sometidos a carga.. Figura 1. Extensómetro convencional de 50mm. Por esta razón se pretende utilizar un dispositivo laser de medición de distancia que pueda ser instalado en la probeta o en las mordazas de la máquina de ensayos universal con el objetivo de medir la elongación y calcular la deformación del espécimen sometido a tensión. En la actualidad es posible encontrar soluciones comerciales a este problema pero a precios elevados en comparación con la solución que se pretende implementar.. Figura 2. Soluciones existentes al problema de no poder utilizar un extensómetro convencional en un ensayo de tensión..

(8) Este proyecto comprende el estudio detallado del ensayo de tensión, el estudio y caracterización de un sensor de medición de distancia laser BAUMER. OADM 13I6475/S35A, el diseño del mecanismo de instalación del sensor y la realización de ensayos que permitan concluir si los resultados obtenidos a partir de los datos medidos por el sensor corresponden a las propiedades reales del material objeto del ensayo. 1. OBJETIVOS. 1.1 OBJETIVO GENERAL Evaluar la aplicabilidad de un sensor de medición de distancia laser (BAUMER. OADM 13I6475/S35A) para la medición de la extensión en una probeta sometida a un ensayo de tensión.. 1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS. •. Realizar ensayos de tensió n con y sin extensómetro con el fin de comparar los resultados obtenidos.. •. Obtener la curva de calibración del sensor y determinar el error asociado a una medición de distancia.. •. Proponer alternativas de instalación del sensor que permitan medir la deformación de la probeta.. •. Realizar ensayos de tensió n a probetas de acero con el sensor laser instalado y comparar los resultados obtenidos a partir del mismo, con los resultados obtenidos utilizando un extensómetro convencional..

(9) 2 MARCO TEORICO. 2. T. 2.1 ESFUERZO: En n general, see define el esfuerzo com mo una fuerzaa que actúa sobre el área unitaria en la que se aplicca. En la figu ura 3 se ilustran los esfueerzos de tensión, compresión, corte y flexión. p pulgada ccuadrada (pssi). El esffuerzo se sueele expresar en megapasscales (MPa) o en libras por. Figuraa 3. Tipos de e esfuerzo. El esffuerzo de inggeniería se define como:. Dond de. es el áárea de la seccción transveersal originall del espécim men antes dee que comien nce el. ensayyo, y F la fuerza aplicadaa.. 2.2 DEFORMA ACION: La deformación d n unitaria see define com mo el cambio de dimen nsión por unid dad de longitud. La deformación unittaria no tiene dimension nes y con freccuencia se expresa en pulgg/pulg o en m mm/mm.. Al describir d el esfuerzo y la deformación n unitaria, ess útil imaginar que el esffuerzo es la causa c y la defo ormación un nitaria es el efecto. e.

(10) 2.3. 2.2.1. Deformación elástica: La deformación (unitaria) elástica se define como una deformación restaurable debido a un esfuerzo aplicado. La deformación es "elástica" si se desarrolla en forma instantánea; es decir, se presenta tan pronto como se aplica la fuerza, permanece mientras se apli ca el esfuerzo y desaparece tan pronto como se retira la fuerza. Un material sujeto a una deformación elástica no muestra deformación permanente: es decir, regresa a su forma original cuando se retira la fuerza o el esfuerzo.1. 2.2.2. Deformación plástica: La deformación permanente en un material se llama deformación plástica. En este caso, cuando se quita el esfuerzo, el material no regresa a su forma original.. EL ENSAYO DE TENSION.. El ensayo de tensión está muy difundido, porque las propiedades que se obtienen pueden aplicarse en el diseño de distintos componentes. En este ensayo se puede obtener información acerca de la resistencia, el módulo de Young y la ductilidad de un material. Comúnmente, el ensayo de tensión se hace con metales, aleaciones y plásticos. Se pueden hacer ensayos de tensión a cerámicos; sin embargo, no son muy frecuentes, porque la muestra se puede fracturar mientras se está alineando. La figura siguiente presenta un esquema del ensayo, un espécimen o "probeta" estándar se coloca en la máquina de prueba y se aplica una fuerza F, llamada carga. Para medir la cantidad que se estira el espécimen entre las marcas de calibración cuando se aplica la carga, se usa un extensómetro o galga extensométrica.. 2. Figura 4. Representación del ensayo de tensión.. 1. Tomado de FERDINAND P.BEER, E. RUSSELLL JONHNSTON,JR Mecánica de Mate riales, segunda edición, Mc graw hill. páginas 39 a 49. 2. Imag en tomada de: Donald R. Askeland, Pradeep P. Phulé, Ciencia e ingenierí a de los material es, 4a. ed, International Thomson Editores, c2004..

(11) 2.3.1 Preparación de la prueba. Se fabrican según la norma ASTM E8 probetas estándar como la de la figura 5, las cuales tienen cabezas más grandes en sus extremos para asegurar el agarre, la probeta se sujeta entonces por medio de cabezas autoalineantes para asegurar que sólo se impondrán cargas de tensión pura.. Figura 5. Ejemplo de probeta estándar para un ensayo de tensión.. 2.3.2 El diagram a esfuerzo deformación. La figura 7 muestra un ejemplo de una curva esfuerzo‐deformación de ingeniería para una aleación de aluminio, esta curva se usa para registrar los resultados de un ensayo de tensión .. 3. Figura 6. Ejemplo de curva esfuerzo‐deformación para una aleación de aluminio.. 3. Imagen tomada de: Donald R. Askeland, Pradeep P. Phulé, Ciencia e ing eniería de los mater iales, 4a. ed, pagina 243 International Thomson Editores, c2004..

(12) 2.3.3 El modulo de elasticidad o de Young. El módulo de elasticidad, o módulo de Young (E), es la pendiente de la curva esfuerzo‐ deformación unitaria en la región elástica. Esta relación es la ley de Hooke: ߪ ‫ܧ‬ൌ ߝ El módulo tiene una relación estrecha con la energía de enlace atómico, un material con un modulo de elasticidad grande indica que se requieren grandes fuerzas para separar los átomos y hacer que el material se estire en forma elástica. Las fuerzas de enlace y, por consiguiente, el módulo de elasticidad, suelen ser mayores para los materiales de punto de fusión alto. En los materiales metálicos, se considera que el módulo de elasticidad es una propiedad insensible a la microestructura, porque el valor está muy influido por la fuerza de los enlaces atómicos. El módulo de Young de un material compuesto depende de la rigidez de los componentes individuales.. 2.4. DISPOSITIVOS D E MEDICIÓN.. 2.4.1 EXACTITUD La exactitud es una medida de que tan cercana esta una medición del valor real.. 2.4.2 RESOLUCIÓN DEL I NSTRUMENTO El cambio más pequeño de valor que pueda detectarse en una medición se llama resolución.. 2.4.3 CALIBRACIÓN La calibración de un instrumento se lleva a cabo midiendo valores estándar bien conocidos y ajustando la respuesta del instrumento para que corresponda a dichos valores.. 2.4.4 PRECISIÓN La precisión de un instrumento de medición define el efecto de los errores aleatorios que pueden ocasionar variaciones de una lectura a otra. Un instrumento con precisión dará casi siempre el mismo valor al repetir las mediciones de la misma cantidad. La precisión suele expresarse en términos de desviación estándar estadística que se obtiene al realizar muchas mediciones de la misma cantidad..

(13) 3. RESULTADOS Y DISCUSI ONES 3.1 ERROR RESULTANTE DEL CÁLCULO DEL MODULO DE YOUNG A PARTIR D E LA EX TENSIÓN REPORTADA P OR LA MAQUINA DE ENSAYOS UNIVERSALES I NSTRON 5586. Con el fin de cuantificar el error generado al calcular el modulo de Young del material a partir de la informació n suministrada por la maquina sin el uso del extensómetro con respecto al valor calculado a partir de la información reportada por el extensómetro, se sometieron al ensayo de tensión 3 probetas de acero AISI/SAE 1020 bajo la norma ASTM E8. Mediante el uso de un extensómetro de 50 mm se midió la elongación de las probetas en el rango elástico, se calculo el modulo de Young dividiendo el esfuerzo entre la deformación calculada con la información de elongación obtenida mediante el extensómetro para cada instante de muestreo en la zona elástica, y luego calculando un promedio de estos datos. Así mismo se calculo el modulo a partir de los datos de elo ngación que registra la maquina al medir la separación entre los cabezales de la misma, los resultados se muestran en las siguientes graficas donde se sobreponen las curvas para los dos casos. 800 700 600 500 400. Esfuerzo(MPa) Vs Deformacion(mm/mm) con extensometro. 300 200 100 0. Esfuerzo(MPa) Vs Deformacion(mm/mm) sin extensometro. 0. 0,05. 0,1. 0,15. Figura 7. Curvas Esfuerzo‐deformación Probeta 1. 800 700 600 Esfuerzo(MPa) Vs Deformacion(mm/mm) con extensometro. 500 400 300 200. Esfuerzo(MPa) Vs Deformacion(mm/mm) sin extensometro. 100 0 0. 0,05. 0,1. 0,15. 0,2. Figura 8. Curvas Esfuerzo‐deformación Probeta 2.

(14) 800 700 600 500 400 300 200 100 0. Esfuerzo(MPa) Vs Deformacion(mm/mm) con extensometro Esfuerzo(MPa) Vs Deformacion(mm/mm) sin extensometro. 0. 0,05. 0,1. 0,15. 0,2. 0,25. Figura 9. Curvas Esfuerzo‐deformación Probeta 3. Probeta 1 2 3. E(con extensómetro) GPa 213,72 199,54 201,35. E(sin extensómetro) GPa 18,83 18,45 18,90. Tabla 1. C alculo del error relativo entre el modulo de Young del material calculado con y sin extensómetro.. Con base en la tabla 1 es posible observar que el cálculo del modulo de Young del material a partir de los datos de extensión reportados por la maquina difiere en gran magnitud con respecto al valor de referencia (calcula do con la información reportada por el extensómetro), por lo tanto este valor no se debe tener en cuenta como una propiedad real del material.. La figura 10 muestra las curvas de extensión contra el tiempo reportadas por la maquina (rojo) y el extensómetro (azul) para la probeta 2. Es posible observar que la maquina reporta un aumento lineal de la distancia entre los cabezales, mientras que el extensómetro reporta una extensión de la probeta baja para tiempos menores a 20 segundos y luego un aumento de la extensión con respecto al tiempo similar al de la curva reportada por la maquina, dicho cambio en la pendiente de la curva se debe a que en ese instante de tiempo (aproximadamente 20 segundos) el extensómetro es retirado para evitar averías por elongaciones excesivas durante el ensayo y la curva se sigue trazando a partir de información relacionada con la distancia entre los cabezales de la maquina..

(15) 14 12 10 8. Extension maquina(mm) Vs Tiempo(s). 6 4 2 0 0. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90. Extension extensometro(mm) Vs Tiempo(s). Figura 10. Curvas de extensión Vs tiempo para la probeta 2, Rojo (sin extensómetro) y azul (con extensómetro).. Debido a que esta investigación pretende solo analizar la deformacion elástica de la probeta, en la figura siguiente se muestra las curvas de deformacion (mm/mm) contra el tiempo(s) asocia das a la probeta 2 para tiempos menores a 20 segundos.. 0,035 0,03 0,025 Deformacion(mm/mm) Vs Tiempo(s) sin extensometro. 0,02 0,015. Deformacion(mm/mm) Vs Tiempo(s) con extensometro. 0,01 0,005 0 0. 2,5. 5. 7,5. 10. 12,5. 15. 17,5. 20. 22,5. Figura 11. Curvas de deformacion Vs tiempo para la probeta 2, Rojo (sin extensómetro) y azul (con extensómetro) en la zona elástica (tiempos menores a 20 segundos). Es posible observar en la figura 11 la diferencia entre las magnitudes de las deformaciones calculadas a partir de los datos de extensión de la maquina (rojo) y los datos del extensómetro (azul), esta diferencia se debe a deformacion y reacomodamiento de los componentes de la maquina y es lo que causa que el cálculo del modulo de Young a partir de los datos de extensión de la maquina no sea correcto..

(16) Al continuar con el análisis de estos resultados es necesario determinar que sucede en las curvas de esfuerzo Vs deformacion mostradas en las figuras 7,8 y 9 para un esfuerzo aproximado de 100 MPa donde se observa un cambio en la pendiente de la curva trazada con los datos de distancia entre los cabezales de la maquina, para este análisis se utilizaran como ejemplo los resultados asociados a la probeta 1 y se resalta la zona de análisis en la figura 12. 800 700 600 500 400 300. Esfuerzo(MPa) Vs Deformacion(mm/mm) con extensometro Esfuerzo(MPa) Vs Deformacion(mm/mm) sin extensometro. 200 100 0 0. 0,05. 0,1. 0,15. Figura 12. Curvas Esfuerzo‐deformación Probeta 1, resaltando el punto de análisis.. Si se grafica el esfuerzo aplicado a la probeta con respecto al tiempo, se observa en la figura 13 que la tasa de cambio del esfuerzo con respecto al tiempo empieza a decrecer desde t=0,5 s hasta aproximadamente t=2 s, lo que significa que el esfuerzo aplicado a la probeta disminuía para que la velocidad de separació n de los cabezales de la maquina se mantuvie ra constante, al graficar la deformacion calc ulada a partir de los datos de extensión reportados por la maquina en la figura 14 para el mismo intervalo de tiempo, se observa que la tasa de cambio de la deformacion se mantiene constante, teniendo en cuenta que en este intervalo la probeta esta en el rango elástico y que el esfuerzo aplicado es menor al esfuerzo de fluencia del material, la caída en la tasa de cambio del esfuerzo debe estar asociada a deslizamie ntos entre las mordazas y la probeta y reacomodamiento de algunos componentes no identificados de la maquina.. Esfuerzo(MPa) Vs Tiempo(s) 250 200 150 100 50 0 0. 0,5. 1. 1,5. 2. 2,5. 3. 3,5. 4. 4,5. 5. 5,5. 6. 6,5. Figura 13. Esfuerzo aplicado a la probeta 2 contra el tiempo en el intervalo de análisis (t<7 s).. 7.

(17) Deformacion sin extensometro(mm/mm) Vs Tiempo(s) 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Figura 14. Deformacion sin extensómetro Vs el tiempo de la probeta 2 para t<7s. Al realizar este mismo análisis pero ahora graficando la deformacion con respecto al tiempo a partir de la información de extensión reportada por el extensómetro, de la figura 15 es posible concluir que la caída en la tasa de cambio de la deformacion con respecto al tiempo, es consecuencia de la caída en la tasa de cambio del esfuerzo con respecto al tiempo mostrado en la curva de la figura 13.. Deformacion con extensometro(mm/mm) Vs Tiempo(s) 0,0012 0,001 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Figura 15. Deformacion con extensómetro Vs tiempo de la probeta 2 para t<7s. 7.

(18) Por lo tanto del anterior análisis se puede concluir que la razón por la cual la pendiente de la curva azul (con extensómetro) en la zona elástica de la figura 12 se mantiene constante se debe a la relación lineal existente entre el esfuerzo aplicado y la deformacion calculada utilizando el extensómetro, así mismo se puede concluir que el cambio en la pendiente de la curva roja( sin extensómetro) se debe a que en esta curva no se aíslan los efectos de los deslizamientos entre la probeta y las mordazas, ni el reacomodamiento de algunos elementos de la maquina, lo que implica la relación no lineal entre el esfuerzo aplicado y la deformacion calculada que se observa en la zona elastica de la figura 12 para la curva roja (sin extensómetro). 3.2 Caracterización y calibración del sensor de distancia laser, BAUMER. OADM 13I6475/S35A El sensor laser que se propone utilizar para la medición de distancia, es un dispositivo que emite una corriente que es proporcional a la distancia que se está midie ndo, el fabricante no proporciona información sobre la relación de equivalencia entre distancia medida y corriente de salida, por lo cual fue necesario determinar la curva de calibración del dispositivo. Se realizo el montaje mostrado a continuación para obtener una curva de calibración del dispositivo.. Figura 16. Montaje de calibración 1. En el calibrador vernier se fijaban distancias dentro del rango de medición del dispositivo y se registraba la respuesta del mismo a dicha excitación, de esta forma se construyo la siguiente curva de calibración..

(19) Corriente medida(mA) Vs distancia(mm) 20. y = 0,0536x + 1,3088 R² = 0,998. 15 10. Corriente medida Vs distancia. 5 Lineal (Corriente medida Vs distancia). 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. Figura 17 Curva de calibración en función de la corriente de salida del sensor.. En la figura 17 se observa la relación lineal exis tente entre la excitación en milímetros y la respuesta del dispositivo en miliamperios. Para la adquisición de datos del sensor y posterior almacenamiento en un computador se conto con una tarjeta LAB JACK, la cual tiene la capacidad de registrar señales de voltaje, razón por la cual se conecto a los terminales de salida del sensor una resistencia de 500 ohmios y se construyo la curva de respuesta del sensor en términos del voltaje medido en los terminales de la resistencia.. Voltaje medido(mA) Vs Distancia(mm) 10 y = 0,0267x + 0,6745 R² = 0,9997. 8 6. Voltaje medido Vs Distancia. 4 Lineal (Voltaje medido Vs Distancia ). 2 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. Figura 18. Curva de calibr ación en función del voltaje en la resistencia acoplada a las termin ales de salida del sensor.. Debido a que se planeaba realizar la fijación del sensor a las mordazas de la máquina de ensayos universales mediante 4 imanes de neoudymium de grado 35, con una geometría similar a la de la figura 19, se realizo el mismo proceso de calibración del sensor pero en esta ocasión con los imanes acoplados al dispositivo de igual forma en que se instalarían en la maquina, el montaje de dicho procedimiento es mostrado en la figura 20.. Figura 19. Geometría de los imanes utilizados para la instalación del sensor. D= 3cm H=0,8mm..

(20) Figura 20. Montaje de calibración 2.. A continuación se muestran las curvas resultantes del procedimiento de calibración considerando el efecto del imán utilizado para la instalación del sensor en la máquina de ensayos.. Corriente medida(mA) Vs Distancia (mm) con iman. 20. y = 0,0536x+ 1,3154 R² = 0,997. 15. Corriente medida Vs Distancia.. 10. Lineal (Corriente medida Vs Distancia.). 5 0 0. 100. 200. 300. 400. Figura 21 Curva de calibración en función de la corriente de salida del sensor con imán.. Voltaje Medido( V) Vs Distancia(mm) con iman 10 8 6 4 2 0. y = 0,0267x + 0,6729 R² = 0,999 Voltaje Medido Vs Distancia(con iman) Lineal (Voltaje Medido Vs Distancia(con iman)). 0. 100. 200. 300. 400. Figura 22 Curva de calibración, voltaje en la resistencia en función de la distancia medida por el sensor con imán..

(21) Al comparar las curvas de calibración obtenidas con y sin imán, se observa que el valor de la pendiente de la recta en todos los casos permanece constante, y que los cortes con el eje de distancia presentan variaciones rela tivas menores al 0,05%, por lo tanto es posible concluir de este procedimiento que la presencia del imán que se propone para la instalación del sensor no afecta los resultados de las mediciones realizadas por el mismo. Continuando con el proceso de calibración del sensor se determina que se debe mejorar la curva de calibració n aumentando la precisión del instrumento util izado para las distancias a medir, en el caso anterior se utilizo un calibrador vernier análogo el cual tiene una resolución de 0,05 mm, por lo tanto se propone utilizar el centro de mecanizado disponible en el taller de manufactura de la Universidad de Los Andes, el cual tiene la capacidad de realizar desplazamientos en pasos de 0,001 mm sobre cualquier eje. En este procedimiento, se fijo en el centro de mecanizado una placa metálica como objetivo del rayo laser a una distancia de 50mm del porta herramienta donde se fijo el sensor, y esta distancia se fue aumentando con un paso de 5mm hasta llegar a 350 mm que es la distancia máxima de medición del sensor. El montaje realizado se ilustra a continuación.. Figura 23. Montaje en la calibr ación del sensor laser utilizando el centro de mecanizado CNC. Como resultado de este procedimiento se obtuvo la curva que de calibración definitiva que se util izaría en todo el proyecto, la cual se muestra en la siguiente figura..

(22) Voltaje(mA) Vs Distancia(mm). y = 0,02673x + 0,6729 R² = 0,999. 10 8 6 4 2 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. Figura 24 Curva de calibración del sensor utilizando el centro de mecanizado CNC.. 3.3 Diseño del sistema de instalación del sensor en la máquina de ensayos universal. A continuación se muestra el diseño propuesto para el montaje del sensor, debido a que es imposible modificar cualquier componente de la maquina, los soportes se adhieren mediante imanes a las mordazas.. Figura 25. Vista isométrica, frontal y lateral del sistema de montaje del sensor en la máquina de ensayos..

(23) Se propone el montaje mostrado en la figura 25 con la idea de que será posible medir el cambio de la distancia entre los puntos de fijación de los soportes (P) sin tener en cuenta las deformaciones y reacomodamiento de los componentes de la maquina, esto puede evidenciarse en la siguiente figura. En el instante 1, el sensor mide la distancia Y1, en el instante 2 el sensor mide la distancia Y2, la elongación del sistema será entonces Δy1 =Y2‐Y1, es importante resaltar que con los soportes instalados sobre las mordazas la elongación corresponde al cambio en la distancia entre lo s puntos marcados como P sobre la figura 26, por lo tanto Δy1= Δy2=Y’2‐Y’1. Figura 26 elongación calculada con la medición de distancia del sensor.. En la siguiente figura es posible observar el montaje terminado luego de construir los soportes.. Figura 27 Montaje del sensor en la máquina de ensayos universal..

(24) 3.4 Verific ación de los datos registrados por el sensor ya instalado.. Luego de tener el montaje listo, se procedió a verificar si las mediciones de distancia registradas por el sensor ya instalado en la maquina eran correctas al compararlas con la información de separación entre cabezales suministrada por la maquina, simultáneamente se pretendía verificar que la instalación fuera correcta y no se generaran interferencias con ningún elemento durante el ensayo. Se realizaron seis ensayos sin probeta en los cuales se fijaron velocidades de 4 mm/s, 5mm/s, 7mm/s, 8 mm/s y 9 mm/s. Se registro la información de separación entre cabezales de la maquina en función del tiempo, simultáneamente el sensor y el sistema de adquisición de datos registraban la distancia entre las mordazas. 4,5 4,0 y = 0,0581x + 0,0629 R² = 0,9716. 3,5 3,0. Extension(mm) instron Vs Tiempo(s). y = 0,0667x ‐ 6E‐05. 2,5. Extension(mm) medida Vs Tiempo(s). 2,0 1,5. Lineal (Extension(mm) instron Vs Tiempo(s)). 1,0. Lineal (Extension(mm) medida Vs Tiempo(s)). 0,5 0,0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. Figura 28. Compar ación de las curvas de extensión contra el tiempo a 4 mm/s.. 6,0 y = 0,0833x + 3E‐06. y = 0,075x + 0,0309 R² = 0,9828. 5,0 4,0. Extension(mm) instron Vs Tiempo(s). 3,0. Extension(mm) medida Vs Tiempo(s). 2,0. Lineal (Extension(mm) instron Vs Tiempo(s)). 1,0. Lineal (Extension(mm) medida Vs Tiempo(s)). 0,0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. Figura 29. Compar ación de las curvas de extensión contra el tiempo a 5 mm/s..

(25) 7,0 6,0 y = 0,1x + 2E‐05 5,0 4,0. Extension(mm) instron Vs Tiempo(s). 3,0. Extension(mm) medida Vs Tiempo(s). y = 0,0911x + 0,0093 R² = 0,9886. 2,0. Lineal (Extension(mm) instron Vs Tiempo(s)) Lineal (Extension(mm) medida Vs Tiempo(s)). 1,0 0,0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. Figura 30. Compar ación de las curvas de extensión contra el tiempo a 6 mm/s.. 8,0 7,0 y = 0,1167x + 7E‐06. 6,0. Extension(mm) instron Vs Tiempo(s). 5,0 4,0. Extension medida(mm) Vs Tiempo(s). y = 0,109x ‐ 0,071 R² = 0,990. 3,0. Lineal (Extension(mm) instron Vs Tiempo(s)). 2,0 1,0. Lineal (Extension medida(mm) Vs Tiempo(s)). 0,0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. Figura 31. Compar ación de las curvas de extensión contra el tiempo a 7 mm/s..

(26) 9,0 8,0 y = 0,133x ‐ 2E‐05. 7,0. Extension(mm) instron Vs Tiempo(s). 6,0 Extension medida(mm) Vs Tiempo(s). 5,0 4,0. y = 0,128x ‐ 0,127 R² = 0,991. 3,0. Lineal (Extension(mm) instron Vs Tiempo(s)). 2,0 Lineal (Extension medida(mm) Vs Tiempo(s)). 1,0 0,0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. Figura 32. Compar ación de las curvas de extensión contra el tiempo a 8 mm/s.. 10,0 9,0 Extension(mm) instron Vs Tiempo(s). 8,0 7,0. y = 0,15x + 2E‐05. 6,0. Extension medida(mm) Vs Tiempo(s). 5,0 4,0. y = 0,145x + 0,045 R² = 0,995. 3,0. Lineal (Extension(mm) instron Vs Tiempo(s)). 2,0. Lineal (Extension medida(mm) Vs Tiempo(s)). 1,0 0,0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. Figura 33. Compar ación de las curvas de extensión contra el tiempo a 9 mm/s.. Se proceso la información obtenida de los seis ensayos calculando el error relativo entre la medición de extensión con el sensor y la extensión reportada por la máquina para cada instante de tiempo, posteriormente se calculo un promedio del error para todos los instantes tiempo.. Error relativo promedio. RESUMEN 4mm/s 5mm/s 6mm/s 7mm/s 8mm/s 9mm/s 8,630 9,800 11,551 11,666 11,666 0,260. Tabla 2 Resumen de la confirmación de la calibración en maquina de ensayos.

(27) Luego de analizar las curvas obtenidas al variar la velocidad de separación de los cabezales de la maquina, y de procesar los datos para cuantificar el error de la medición del sensor con respecto a la información proporcionada por la máquina de ensayos, se determina que a medida que aumenta la velocidad de la prueba se reduce el error rela tivo promedio, esto debido a que logra atenuarse en gran medida el ruido en la medición de distancia efectuada por el sensor, basándose en esta información se decide que en los ensayos que se realizaran más adelante se fijara como constante la velocidad de separación en 9mm/s. Adicionalmente se observa que las mediciones realizadas por el sensor concuerdan con lo reportado por la maquina como separación entre cabezales, por lo tanto se puede afirmar que la curva de calibración construida funciona correctamente. En este punto de la investigación se cree que la oscilación que se observa en todas las figuras 28 a 33 asociada a la medición del sensor, se debe a vibraciones del edificio y de la maquina. Con el objetivo de corroborar esta hipótesis se traslado el equipo de adquisición de datos a un lugar tranquilo donde las vibraciones no afectaran significativamente la medición de una distancia constante, como resultado se obtuvo la siguiente curva donde se aprecia que el ruido de la medición de distancia realizado en la máquina de ensayos, no solo está asociado a vibraciones de la misma y del edificio donde se encuentra, si no que el sis tema de adquisición de datos compuesto por el computador portátil, la tarjeta LABJACK y el sensor, tiene asocia da una variación de tipo oscilatoria en la medición de una distancia constante.. Distancia (mm) Vs Tiempo(seg) 58,0 57,8 57,6 57,4 57,2 57,0 56,8 56,6 0. 10. 20. 30. 40. 50. Figura 34. Medición de una distancia constante registrada por el sistema de adquisición.. 60.

(28) La distancia que se fijo como constante tiene un valor real de 57,27 mm, y la distancia promedio registrada por el equipo fue 57,24 mm lo que representa un error relativo de 0,035 %. promedio registrado(mm) 57,25. distancia real (mm) 57,27. desviación media de la real (mm) ±0,185. Error relativo del promedio respecto al real (%) 0,035. Tabla 3 Resultados de la medición estática con sensor.. Luego de analizar los resultados anteriores, resulto extraño observar tanto ruido en una medición estática teniendo en cuenta que el lugar donde se realizo la medición no presenta vibraciones como sucede en el edificio Mario Laserna, por lo tanto se quiso detectar la fuente del ruido y determinar si estaba relacionado con el sensor, o con el sistema compuesto por el computador portátil y la tarjeta de adquisición de datos LABJACK, para esto se removió el sensor del montaje y se dejo el sistema almacenando datos de distancia, teóricamente esta medición debería ser constante y más aun tener un valor de cero a lo largo del tiempo. A continuación se muestra la curva obtenida.. Distancia (mm) Vs Tiempo(s) 0,6 0,4 0,2 0 ‐0,2 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. ‐0,4 ‐0,6 Figura 35. Datos registrados por el sistema de adquisición de datos sin tener instalado el sensor laser.. Al analizar estos resultados, y compararlos con los de la medición estática con sensor es posible determinar que el ruido que se observa en la curva de medición estática con sensor (figura 34) está asociado exclusivamente al sistema compuesto por el computador portátil y la tarjeta LABJACK, ya que los picos de distancia que se observan en la figura 35 respecto al cero tienen igual magnitud que los picos de distancia que se observan en la figura 34 respecto a la distancia real (57,27mm). Se cree que este ruido del sistema está asociado a variaciones de voltaje que registra la tarjeta LABJACK provenientes del sistema de alimentación del computador portátil y pulsos de voltaje provenientes del puerto USB donde se conecta la tarjeta con el computador portátil..

(29) e fin de minimizar este efecto, e se tom mo la decisió ón de implem mentar un filltro mediante EXCEL a Con el los datos registraados por el sistema de adquisición que minimizara lo máximo posible los picos ón de una distancia co onstante, see consideraron varias registtrados con respecto a la medició opcio ones y todass se implem mentaron so obre la medición estáticca para observar el ressultado, a continuación se muestra m un esquema e del método utillizado para im mplementar los diferentes filtros.. Fiigura 36 Métod do de aplicació ón de filtro a loss datos. m que se utilizo para intentar reducir r los piicos registrad dos por el En la figura 36 se observa el método ma de adquiisición, para el caso espeecifico del essquema, se tomaban t loss 2 primeros datos, se sistem calculaba el prom medio y este sería el dato o numero 1 de la tabla resultante, r assí mismo se calculaba r co omo el dato o 2 de la taabla resultan nte, y así el promedio de los datos 2 y 3 y se registraba E tipo de filtro se deenomino 2 d datos solapado 1 (2ds1),, las demás opciones sucessivamente. Este propu uestas y de las que se quería q obserrvar su efectto eran: 3 daatos solapad do2 (3ds2) y 4ds3. Un ejemplo del resu ultado de la implementaación de estee filtro se muestran m en n las figura 37 3 y en la tabla 4 se muestrra un resumeen de los resultados..

(30) Distancia(mm) Vs Tiempo(s) con filtro 2 s1 57,6 57,5 57,4 57,3 57,2 57,1 57,0 56,9 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. Figura 37. Curva de medición de distancia estática con filtro 2dS2 implementado. longitud real(mm) Filtro Promedio (mm). 57,2661 filtro 2d s1 filtro 3 datos s2 filtro 4 datos s3 57,2599 57,2602 57,2598. Error relativo con Long. real. 0,01079. 0,01043. 0,01097. Tabla 4 Resultados de la implementación de los filtros. Después de analizar los resultados de la tabla 4, se concluyo que el filtro que se implementaría a todas las mediciones con este sistema de adquisición seria el filtro con 3 datos y solapados 2, ya que es el que produce un error relativo menor entre el promedio de las mediciones estáticas y el valor real. 3.5 Ensayos de tensión con sensor y extensómetro.. Luego de tener caracterizado el sistema de adquisición de datos y de comprobar el funcionamiento de este al estar instalado en la máquina de ensayos universales, se procedió a realizar 15 ensayos de tensión a probetas de acero AISI/SAE 1020, con el fin de medir la deformación de la probeta util izando el sistema de adquisición de datos y comparar esta informació n con lo registrado por el extensómetro, los resultados concuerdan para todas las probetas, por lo tanto se muestran las curvas resultantes del ensayo de una probeta..

(31) 0,035. 0,03. 0,025 Deformacion(mm) Vs Tiempo(Seg) Extensometro. 0,02. Deformacion(mm/mm) Vs Tiempo(Seg) sensor. 0,015. Deformacion(mm) Vs Tiempo(Seg) maquina. y = 0,001x + 0,000 R² = 0,970. 0,01. Lineal (Deformacion(mm/mm) Vs Tiempo(Seg) sensor). 0,005. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. Figura 38. Compar ación de curvas de deformación contra el tiempo obtenidas a partir de información del extensómetro, el sensor y la maquina en la zona elástica. En la figura 38 se observa que la deformación medida por el sensor no corresponde a la deformación real de la probeta medida por el extensómetro, si bien se reduce el error con respecto a lo reportado por la maquina, la magnitud del error relativo promedio entre lo medido por el sensor y lo medido por el extensómetro es de 564.53% lo que indica que no es una medida que pueda ser utilizada para calcular el modulo de Young del material. 800 700 Esfuerzo(Mpa) Vs Deformacion(mm/mm) sensor. 600 500. Esfuerzo(Mpa) Vs Deformacion(mm/mm) Extensometro. 400 300 200. Esfuerzo(Mpa) Vs Deformacion(mm/mm) maquina. 100 0 0. 0,05. 0,1. 0,15. 0,2. Figura 39. Compar ación de curvas de esfuerzo Vs deformación obtenidas a partir de información del extensómetro, el sensor y la maquin a..

(32) La figura 39 muestra las curvas de esfuerzo contra deformación para los 3 casos (sensor, extensómetro y maquina), es posible observar que la pendiente en la zona elástica de la curva calculada a partir de la información recolectada por el sensor se acerca un poco más a la curva calculada utilizando el extensómetro que la curva calculada con la información de extensión reportada por la maquina, pero en la zona elástica esta curva verde(sensor) presenta variaciones en la pendiente similares a las variaciones que se presentan en la curva azul(sin extensómetro, lo que indica que con este montaje no se aislaron los efectos de los deslizamientos entre la probeta y las mordazas, ni el efecto del reacomodamiento de algunos componentes de la maquina. En la figura 40 solo se grafican las curvas en la zona elástica con el objetivo de observar y cuantificar la diferencia entre las pendie ntes de las 3 curvas.. 700 y = 19553x + 4,449. y = 23787x + 39,71. Esfuerzo(Mpa) Vs Deformacion(mm/mm) sensor. 600 500 400 y = 16655x + 44,64 300. Esfuerzo(Mpa) Vs Deformacion(mm/mm) Extensometro Esfuerzo(Mpa) Vs Deformacion(mm/mm) maquina. 200 100. Lineal (Esfuerzo(Mpa) Vs Deformacion(mm/mm) sensor). 0 0. 0,005. 0,01. 0,015. 0,02. 0,025. 0,03. 0,035. Figura 40. Compar ación de curvas de esfuerzo Vs deformación obtenidas a partir de información del extensómetro, el sensor y la maquin a en la zona elástica.. modulo de Young (GPa) Error relativo a extensómetro (%). sensor maquina extensómetro 23,787 16,655 196,537 87,894 91,525. Tabla 5. Comp aración de resultados del modulo de Young del material para los 3 casos..

(33) Al realizar el mismo tipo de análisis para los 15 ensayos realizados se obtienen resultados similares, los cuales se resumen en la tabla 6.. probeta. Error rel ativo E (sensor) GPa (sensor‐extensómetro) %. E (maquina) GPa. Error rel ativo (maquina‐extensómetro) %. E (extensómetro) GPa. 1. 23,787. 87,897. 16,655. 91,526. 196,537. 2. 24,064. 87,413. 17,215. 90,995. 191,179. 3. 24,162. 88,005. 16,320. 91,898. 201,435. 4. 24,890. 87,467. 18,943. 90,461. 198,590. 5. 23,859. 88,086. 18,654. 90,685. 200,263. 6. 26,945. 86,166. 17,365. 91,084. 194,768. 7. 23,437. 87,831. 18,203. 90,548. 192,590. 8. 24,502. 87,333. 18,409. 90,483. 193,439. 9. 21,923. 88,638. 16,751. 91,319. 192,952. 10. 23,498. 88,163. 17,329. 91,270. 198,510. 11. 24,195. 87,932. 18,583. 90,731. 200,493. 12. 25,893. 86,666. 16,571. 91,467. 194,191. 13. 21,737. 89,092. 16,749. 91,595. 199,270. 14. 23,684. 87,745. 19,217. 90,056. 193,258. 15. 23,965 87,578 16,473 91,461 Tabla 6 compar ación de los módulos de Young calculados para 15 probetas.. 192,917. Al analizar estos resultados y ver que la medición de extensión con el sistema de adquisición no es cercana a la medición de referencia (realizada con el extensómetro) surge la pregunta del por qué de este error, si se analizan los valores de la extensión reportados por el extensómetro en la zona elástica, listados en la tabla 7, es posible darse cuenta que el mayor incremento de distancia que se presenta es 0,01264 mm, si comparamos este valor con el de la variación de la medición estática reportado por el sistema de adquisición (±0,185), es posible concluir que la extensión medida sobre la probeta es opacada por las variaciones en la medición asociadas al ruido, por lo tanto se demuestra que este sistema de adquisición no puede ser utilizado para la medición de la extensión de una probeta en la zona elástica al ser sometid a a tensión. En conclusión, la resolución del sistema de adquisición de datos es menor al máximo cambio en distancia de la probeta..

(34) Incremento(mm). Extensión en la zona Elástica (extensómetro)(mm). Esfuerzo(MPa). 0,01264 0,00785 0,00461 0,0036 0,00249 0,00191 0,00217 0,00219 0,0023 0,0019 0,00201 0,0023 0,00224 0,0024 0,00241 0,00247 0,00261 0,00256 0,00273 0,00266 0,00282. 0,00047 0,01311 0,02096 0,02557 0,02917 0,03166 0,03357 0,03574 0,03793 0,04023 0,04213 0,04414 0,04644 0,04868 0,05108 0,05349 0,05596 0,05857 0,06113 0,06386 0,06652 0,06934. ‐0,06375 52,85224 85,42456 105,11967 119,68999 130,65395 139,35405 148,98387 158,60315 168,28893 177,14973 186,2066 196,08626 206,35739 216,94453 228,00386 239,31461 251,01276 263,01929 275,17682 287,67725 300,32114. Incremento(mm). Extensión en la zona elástica (extensómetro). Esfuerzo(MPa). 0,00279 0,00291 0,00286 0,0029 0,00306 0,00299 0,00304 0,00306 0,00318 0,0032 0,00311 0,00325 0,00328 0,0034 0,00349 0,00373 0,00374 0,00403 0,0044 0,00489 0,00552 0,0067. 0,07213 0,07504 0,0779 0,0808 0,08386 0,08685 0,08989 0,09295 0,09613 0,09933 0,10244 0,10569 0,10897 0,11237 0,11586 0,11959 0,12333 0,12736 0,13176 0,13665 0,14217 0,14887. 313,10281 326,06442 339,19986 352,40997 365,81973 379,30316 393,09885 406,91681 420,75543 434,78012 448,82944 463,02402 477,32135 491,70682 506,03345 520,44678 534,80682 549,1817 563,32324 577,30768 591,07135 604,29303. Tabla 7. Valores de extensión reportados por el extensómetro en la zona elástica con respecto al esfuerzo aplicado.. Con el objetivo de corroborar o desvirtuar la afirmación de que el sistema de medición no es apto para la aplicación deseada y descartar posibles errores en el montaje, o los ensayos realizados se propuso modificar el método de instalación del sensor en la maquina, y se opto por instalarlo en la probeta para medir de una forma más directa el cambio de longitud de la misma durante la prueba, en las figuras siguientes es posible observar el montaje propuesto y su implementación..

(35) Figura 41 .diseño e implementación de montaje del sistema sobre la probeta. Con este montaje se realizaron de nuevo ensayos a tensión con probetas de acero AISI/SAE 1020, adicionalmente se propuso ensayar probetas de un polímero como el Nylon el cual tiene un modulo de Young menor que el acero y por lo tanto presentaría elongaciones mayores que el acero, los resultados se muestran a continuación. 700 600 500 400 300 200. Esfuerzo(Mpa) Vs Deformacion(mm/ mm) Extensomtro Esfuerzo(Mpa) Vs Deformacion(mm/ mm) Sensor. 100 0 0. 0,05. 0,1. 0,15. 0,2. 0,25. Figura 42.Curvas de Esfuerzo deformación con el extensómetro y el sensor.

(36) 600. y = 14490x R² = ‐0,47. 500. Zona lineal Esfuerzo(Mpa) Vs Deformacion(mm/mm) Extensometro. 400. Zona lineal Esfuerzo(Mpa) Vs Deformacion(mm/mm) Sensor. 300 200. Lineal (Zona lineal Esfuerzo(Mpa) Vs Deformacion(mm/mm) Sensor). 100 0 0. 0,001. 0,002. 0,003. 0,004. Figura 43. Curvas de Esfuerzo deformación con el extensómetro y el sensor en la zona elástica.. Al calcula r el error relativo entre la pendiente de la curva correspondiente al extensómetro y la curva correspondiente al sensor se encuentra que la magnitud de este es de 28,36%, es posible evidencia r que el error se redujo notablemente con respecto al montaje realizado en las mordazas de la maquina, pero todavía no es una buena aproximación al valor de referencia, de nuevo el ruido en la medic ión genera un error inaceptable en el cálculo del modulo de Young. Por último se realizo el montaje del sistema en las probetas de Nylon, pero al realizar el ensayo de tensión la alta reducción de área de la probeta plástica con respecto a la probeta d acero, provoco que el sis tema se desajustara y no permitiera tomar mediciones confiables, esta situación se ilustra en la figura 44.. Figura 44. Montaje del sistema en una probeta de Nylon después de deformarse..

(37) CONCLUSIONES. •. La maquina Instron 5586 utilizada sufre deformaciones y reacomodamiento de componentes en tensión, esto no permite calcular la deformación a partir de la separación de los cabezales de la maquina.. •. La medición de la elongación de la probeta se vio afectada por las vibraciones asociadas al funcionamiento de la máquina y de la estructura del edificio ML.. •. Los resultados de este estudio permiten asegurar que la resolución del sistema de adquisición de datos es menor al máximo cambio en distancia de la probeta cuando está sufriendo deformaciones elásticas durante el ensayo de tensión.. •. Para posteriores estudios con sensores de este tipo se sugiere mejorar la calidad de la tarjeta de adquisición util izada y utilizar un computador o medio de almacenamiento de datos que no genere ruido en la información registrada.. •. El error en el cálculo del modulo de Young del material es muy alto con respecto al valor de referencia (28,36%), el sistema de adquisición de datos no cumple satisfactoriamente con los requerimientos necesarios para calcular correctamente la deformación del material y por ende el modulo de Young..

(38) REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.. [1] Shigley, Joseph Edwar. Mecanical Engineering Desing/ Joseph E.Shigley, Charles R. Mishke, Richard G. Budynas 8a Ed. Boston, MA; Bogota. McGraw Hill, 2004. [2] F.M. Parra & L.M Mateus. Efecto de las deformaciones elásticas en una maquina universal de ensayos a tensión/ F.M. Parra. Asesor, Luis Mario Mateus Sandoval. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. [3] John E. Hockett a and Peter P. Gillisb . Mechanical testing machine stiffness: 1970. a. Los Alamos Scientific Laboratory, University of California, Los Alamos, New Mexico 87544, U.S.A.. b. Department of Metallurgical Engineering and Materials Science, University of Kentucky, Lexington, Kentucky 40506, U.S.A.. [4] A. Presnyakov, N. N. Mofa, R. K. Aubakirova, P. I. Kulichenko, and A. S. Degtyareva. EFFECT OF THE STIFFN ESS OF THE TESTING MACHINE ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF MATERIALS. [5] Budynas, R.G. & Nisbett, J. K. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley. (8va Ed.).. USA: McGraw Hill. [6] Donald R. Askeland, Pradeep P. Phulé, Ciencia e ingeniería de los materiales, 4a. ed, International Thomson Editores, c2004..

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