Laboratorio del Ciencia e Ingeniería de los materiales
A) Ensayos de Flexión, B) Ensayo de Impacto 18-jun, I Termino 2017-2018
Luz Bernarda Alulima Vivanco
Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)
Guayaquil / Ecuador [email protected]
Resumen
En esta práctica tratamos el ensayo flexión de una varilla de hierro y el ensayo de impacto en una probeta con la norma ASTM E23 respectivamente, para el ensayo de flexión tomamos la probeta y la sometimos a una carga que gradualmente fue
aumentado en la máquina que utilizamos en esta práctica, a medida que aumentamos la carga observamos cómo se comporta el material, para el ensayo de impacto se desea determinar el comportamiento de la cuatro probetas sometidas a una cargas de choque, medimos la energía absorbida al romperse cada una de ellas, teniendo en cuenta que cada una de ellas está a diferente temperatura.
Palabras Clave: flexión, probeta, impacto, ensayo, choque.
Introducción
Tensión en flexión (f). - Puede ser
calculada a cualquier punto sobre la curva de carga –deflexión usando las ecuaciones 1 y 2, dependiendo de la sección transversal de la muestra. Sección rectangular δf=3 PL 2 b d2 Ec. 1 Seccion circular δf= FL π R3 Ec. 2 Donde:
f ≡ Tensión de flexión (MPa)
P ≡ La carga a un determinado punto sobre la curva carga-deflexión
L ≡ Longitud de soporte (mm) b ≡ Ancho de la muestra (mm) d ≡ Espesor de la muestra (mm Fuerza de flexión máxima(fm). - Es la
máxima capacidad del material para resistir deformación plástica y viene dada por la ecuación 3 para un ensayo de flexión de 3 puntos.
δfm= 3YL
Donde:
fm ≡ Tensión de flexión máxima
(MPa)
Y ≡ Punto de fluencia en la cual la carga no incrementa con el incremento en deformación
L ≡ Longitud entre rodillos de soporte (mm)
b ≡ Ancho de la muestra (mm)
d ≡ Espesor de la muestra (mm)
Deformación de flexión (f). - es el
cambio en la fracción nominal en la longitud de un elemento de la superficie externa de la muestra a la mitad de la longitud del punto de soporte, donde ocurre la máxima deformación. La deformación de flexión Se calcula mediante la ecuación 4.
ϵf=6 Dd
L2 Ec .4
Donde
f ≡ deformación de flexión
D ≡ Máxima deflexión del centro
del arco (L)
L ≡ La longitud entre rodillos de
soporte (mm)
d ≡ Espesor de la muestra (mm)
Módulo de elasticidad. - Es la relación dentro del límite elástico, entre la tensión y la deformación, expresada por la ecuación 5.
Ef= m L 3
4 b d3 Ec. 5
Figura 1. Esquema de una muestra sometida a flexión.
Calculamos la resiliencia de las probetas por medio de la ecuación 6.
ℜ=Ea
sF
Ec. 6 Donde
Ea≡ Energía absorbida por cada material
SF ≡ Sección transversal
Procedimiento Parte A
Ensayo de flexión o doblez
Medimos el espesor y ancho de la probeta de ensayo y la longitud de separación de los rodillos, para el posterior cálculo del esfuerzo, deformación y modulo elástico, marcamos con tinta indeleble los puntos donde se aplicará la carga bajo flexión de tres puntos, definimos la velocidad de carga con base en el espesor de la muestra, de acuerdo a lo establecido en la norma que se está siguiendo para realizar el ensayo, colocamos la muestra en la máquina de ensayos y aplicamos la carga gradualmente hasta la fractura de la probeta y finalmente registramos la carga aplicada para cada valor de deflexión.
Ensayo de impacto
Medimos las dimensiones de la muestra de ensayo, las medidas estándar de las muestras son 10x10x55 mm3 con un
profundidad localizada en el centro de la muestra.
Ensayamos las muestras a la temperatura correspondiente de -60
℃ y 100 ℃ , colocamos la muestra en la máquina de ensayo Charpy.
Se eleva el péndulo a la altura correspondiente a la máxima energía almacenada de 300J y se liberó el péndulo para impactar la muestra, aseguramos el péndulo colocándolo en su posición inicial en la máquina de ensayos, retire cuidadosamente la muestra sin dañar la superficie de fractura.
Registramos la energía absorbida para esa temperatura y repita el ensayo a la misma temperatura para obtener un valor promedio.
Resultados
Las tablas de datos están en el anexo A. El procesamiento de datos está en anexo B.
Las gráficas están en anexo C.
Las tablas de resultados están en anexo D.
Análisis de Resultados, Conclusiones y Recomendaciones
Para la varilla de hierro calculamos la tensión en flexión que para la sección circular nos dio un valor de 63,7 kN/mm2 mientras que para la sección
rectangular nos dio un valor de 37,5 kN/mmvemos que en la región circular es mayor esta tensión debida a la geometría de la misma, la fuerza de flexión máxima nos dio un valor de 7,56 kN/mm2 y este valor lo obtuvimos al
alcanzar la máxima carga en el ensayo que fue de 11 kN, al momento que la varilla ya no tiene resistencia la carga va
disminuyendo. Calculamos una deformación de deflexión de 0.58 y un módulo de elasticidad de 1,22 kN/mm2 o
1,2x1010 N/m2 que comparándolo con el
módulo de elasticidad teórico que es de 1,7x1010 N/m2 nos da un cálculo baste
aproximado.
Para el ensayo de impacto utilizamos el ensayo de Charpy y analizamos distintas probetas.
Para la probeta 1 con una temperatura de -60°C y un área experimental de 24,2 mm2 observamos la menor área
experimental y para la probeta de 100 °C obtuvimos la mayor área que fue de 41,9 mm2
La gráfica temperatura versus energía absorbida, se encuentra en el intervalo de transición en el cual la tendencia que sigue la gráfica igualmente a la anterior es de un cambio de concavidad que no muestra debido a los pocos datos graficados, pero si es evidente el cambio de pendiente.
En conclusión, en el ensayo de flexión no se obtuvo ninguna fisura en el material flexionado.
Realizamos este ensayo de impacto a una probeta de acero no estandarizada según la norma requerida, lo que explica los elevados porcentajes de error para el área de cada probeta, previo a la realización del ensayo se recoció el material para alcanzar temperaturas altas y se trabajamos con hielo seco con diluyente para llegar a bajas temperaturas y verificamos que a mayor temperatura el material tendrá mayor ductilidad.
Referencias Bibliográficas / Fuentes de Información
William Callister. (1995). Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. Barcelona: Reverte.
ANEXO A – TABLAS DE DATOS
Tabla 1. Datos de la probeta del ensayo de flexión. Diámetro [mm] Área [mm2] máximaCarga [kN] Longitud calibrada [mm] Distanci a entre apoyos [mm] Longitu d calibrad a [mm] 12.00 113.1 11.00 200.0 72.00 36.00
Tabla 2. Medios de enfriamiento de las probetas y condiciones de ensayo.
Temperatura Bajo 0°C 0°C 25°C 100°C
Medio de
enfriamiento Hielo seco + etanolHielo Temperaturaambiente hirviendoAgua
Tabla 3. Datos del ensayo de impacto Charpy Probeta Temperatura
[°C] Largo[mm] Ancho [mm] fractura [mm]Longitud de
1 -60 55.00 7.40 3.27
2 -8.6 55.00 7.70 4.52
3 22.8 55.00 7.35 5.40
4 100 55.00 8.88 4.72
ANEXO B – PROCESANIENTO DE DATOS
Parte A
Probeta de hierro
Tensión en flexión
12¿2 ¿ 2(12)¿ δF=3(600)(72)¿ o Sección circular 6¿2 ¿ π¿ δF= (600)(72) ¿
Fuerza de deflexión máxima 12¿2 ¿ 2(12)¿ δFm=3(11)(72)¿ Deformación de flexión 72¿2 ¿ ¿ ϵF= 6(42)(12) ¿ Módulo de elasticidad 72¿3 ¿ 12¿3 ¿ 4(12)¿ (0,271)¿ EF=¿ Parte B
Probeta 1
SF: 3,27 mm
Re= 8,3
3,27=2,54
Calculo de área experimental
A= 7,40 (3,27)=24,2 m m2 Porcentaje de error E=80−24,2 80 x 100=69,75 Probeta 2 SF: 4,52 mm Re=10,54,52=2,32
Calculo de área experimental
A= 7,70 (4,52)=32,8 m m2 Porcentaje de error E=80−32,8 80 x 100=59 Probeta 3 SF: 5,40 mm Re=12,8 5,40=2,37
Calculo de área experimental
A= 7,35 (5,4 )=39,7 mm2
Porcentaje de error
E=80−39,7
Probeta 4
SF: 4,72 mm
Re=12,75 4,72 =2,7
Calculo de área experimental
A= 8,88 (4,72)=41,9 mm2 Porcentaje de error E=80−41,9 80 x 100=47,63 ANEXO C – GRAFICAS 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 42 Deflexion [mm] Ca rg a [k N]
-80 -60 -40 -20 00 20 40 60 80 100 120 2 4 6 8 10 12 14 Temperatura [°C] En er gi a ab so rv id a po r e l i m pa ct o [J]
Gráfica 2. Curva Energía absorbida-Temperatura de la probeta e acero ANEXO D – TABLAS DE RESULTADOS
Tabla 4. Resultados de la probeta de metal
Parámetro Valor
Tensión en
flexión Sección rectangular 37,5 [kN/mm
2]
Sección circular 63,7 [kN/mm2]
Fuerza de flexión máxima 7,56 [kN/mm2]
Deformación de deflexión 0,58
Módulo de elasticidad 1,22 [kN/mm2]
Pendiente de la gráfica
carga-deflexión 0,271
Tabla 5. Resultados de la energía absorbida por el impacto
Probeta Temperatura [°C] Energía absorbida por el impacto [J] Área experimenta l [mm2] Porcentaj e de error [%] 1 -60.10 8.300 24.2 69,75 2 -8.600 7.300 32.8 59,00 3 22.80 12.80 39.7 50,38 4 100.0 12.75 41.9 47,63 47,63% 50,38% 69,75% 59%
ANEXO E – INVESTIGACION Parte A
Las aplicaciones industriales de este experimento y para qué tipo de materiales se usa comúnmente.
En la industria se utiliza este experimento en la soldadura, se utiliza esta prueba de doblar guía para determinar lo fuerte que es la soldadura, el material debe ser capaz de doblarse hasta 180 grados sin ningún tipo de grietas que se aprecien para que pueda ser utilizado sin problema en su destino, bien sea en la construcción, en la industria naval o siderúrgica.
Parte B
Porque los metales con estructuras cristalinas BCC y FCC presentan diferentes comportamientos de fractura a bajas temperaturas de ensayo.
Un metal BCC se transforma a FCC si se disminuye la ductilidad y se incrementa la resistencia, debido a la falta de movilidad de los átomos de hierro al formar la estructura FCC y a la disminución del número de sistemas de deslizamiento, de 48 (BCC) a 12 (FCC).
