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(1)

UNIVERSIDAD DON BOSCO

FACULTAD DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS

TÉCNICO EN INGENIERÍA MECÁNICA

CICLO - AÑO II – 2015

Guía de Laboratorio N° 5

Nombre 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. La sección recta transversal (parte calibrada) puede ser circular, cuadrada, rectangular, anular; y en ciertos casos particulares, de otras formas.

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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.

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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

(4)

EJERCICIO. Ensayo de tracción para un acero 1020 de 10mm de diámetro en probeta.

Carga (N)

Longitud

(mm)

Tensión (

Ơ)

(N/mm

2

)

Alargamiento

unitario (

ε)

Sección

(mm

2

)

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

(5)

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 ∗ 𝑅𝑅

2

= 𝜋𝜋 ∗ �

𝐷𝐷

2�

2

= 𝜋𝜋 ∗ �

10

2 �

2

= 78.5 𝑚𝑚𝑚𝑚

2

La tensión generada se calcula dividiendo la carga aplicada entre la sección de la probeta: 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑠𝑠𝑇𝑇ó𝑇𝑇 =𝑆𝑆 = 𝑆𝑆𝑇𝑇𝐴𝐴𝐴𝐴𝑇𝑇ó𝑇𝑇 𝐴𝐴𝑇𝑇 𝐴𝐴𝐶𝐶 𝐴𝐴𝐶𝐶𝑝𝑝𝑝𝑝𝑇𝑇𝑝𝑝𝐶𝐶 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝑇𝑇𝐴𝐴𝐶𝐶𝐴𝐴𝐶𝐶 (𝑁𝑁)

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 =

�𝐿𝐿

𝑓𝑓

− 𝐴𝐴

𝑜𝑜

𝐴𝐴

𝑜𝑜

=

∆𝐿𝐿

𝐴𝐴

𝑜𝑜

Una vez que obtenemos el alargamiento unitario, representamos una gráfica de tensión frente a alargamiento unitario(a):

(6)

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.

𝜎𝜎

𝐵𝐵

=

𝑆𝑆𝑇𝑇𝐴𝐴𝐴𝐴𝑇𝑇ó𝑇𝑇 𝐴𝐴𝑇𝑇 𝐴𝐴𝐶𝐶 𝐴𝐴𝐶𝐶𝑝𝑝𝑝𝑝𝑇𝑇𝑝𝑝𝐶𝐶 =

𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐴𝐴𝑇𝑇 𝑅𝑅𝑝𝑝𝑝𝑝𝑅𝑅𝐶𝐶𝐶𝐶

𝑃𝑃

𝑆𝑆

El alargamiento se calcula según:

𝐴𝐴𝐴𝐴𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝 % =�𝐿𝐿𝑓𝑓

− 𝐴𝐴

𝐴𝐴

𝑝𝑝� �100�

𝑝𝑝

Donde:

𝐿𝐿

𝑓𝑓

= 𝐿𝐿𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑝𝑝 𝑓𝑓𝑇𝑇𝑇𝑇𝐶𝐶𝐴𝐴

𝐿𝐿

𝑜𝑜

= 𝐿𝐿𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑝𝑝 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝐴𝐴𝑇𝑇𝐶𝐶𝐴𝐴

La deformación total se determina como:

𝛿𝛿 = 𝐿𝐿

𝑓𝑓

− 𝐴𝐴

𝑜𝑜

La deformación unitaria se determina como:

∈=

𝐿𝐿

𝑓𝑓

𝐿𝐿

− 𝐴𝐴

𝑝𝑝

𝑝𝑝

=

𝛿𝛿

𝐿𝐿

𝑝𝑝

Donde:

𝐿𝐿

𝑓𝑓

= 𝐿𝐿𝑝𝑝𝑇𝑇𝐶𝐶𝑇𝑇𝑝𝑝𝑅𝑅𝐴𝐴 𝑓𝑓𝑇𝑇𝑇𝑇𝐶𝐶𝐴𝐴

𝐿𝐿

𝑜𝑜

= 𝐿𝐿𝑝𝑝𝑇𝑇𝐶𝐶𝑇𝑇𝑝𝑝𝑅𝑅𝐴𝐴 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝐴𝐴𝑇𝑇𝐶𝐶𝐴𝐴

El módulo de elasticidad o módulo de Young E se determina por:

𝐸𝐸 =

𝜎𝜎

(7)

RESULTADOS DEL ENSAYO DE TRACCIÓN

Parámetro Formulación Resultado

Resistencia a la Rotura

% de Alargamiento

Deformación Total

Deformación Unitaria

(8)

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 AluminioBronceHierroAcero 1020Acero 1045

Máquina Universal de Ensayos de tracción 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 la misma en la norma ASTM E 8. Utilice el calibrador para tomar las mediciones.

PRECAUCION: ¡La Máquina Universal de Ensayos solo debe ser manejada por el personal del laboratorio!

Se colocará la probeta en las mordazas de la máquina, asegurándose que la fijación sea la correcta.

Se sujetará el extensómetro sobre la probeta y se colocará las escalas en la posición inicial.

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.

(9)

“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:

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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 grietas verticales sobre el lado tensado de la viga.

2. La falla del concreto en compresión que se presentan en las fibras mas alejadas del eje neutro.

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 reacciones tornándose frecuentemente horizontales justamente arriba del armado principal en las vigas 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:

(11)

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).

(12)
(13)

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.

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

(14)

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

(15)

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.

(16)
(17)
(18)

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.

______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________

Realice una tabla comparativa de los datos obtenidos de las pruebas de ensayos realizada.

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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.

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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 materiales fibrosos, dúctiles y algunos materiales frágiles.

b) La entalladura en forma de “U” se efectúa en materiales considerados de dureza media o mayor.

c) La entalladura en forma de ojo de cerradura se efectúa en materiales sintéticos como plásticos, 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:

𝑬𝑬

𝑬𝑬 = 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.

(23)

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 1020BronceAluminioPVC

Máquina para Ensayos de ImpactoCalibrador o Vernier

Cinta métrica

IV. PROCEDIMIENTO

Discusión de la guía práctica.Realización de ensayos Charpy.Discusión de los resultados.

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