Practicas Resistencia 2011 -2012

INGENIERIA MECANICA

RESISTENCIA DE MATERIALES

“GUIAS DE LABORATORIO”

Ing. Valeriano Gavinelli M.s.C.

Cuenca 2011

INDICE

LABORATORIO N° 1 Identificación de aceros. Ensayo de chispa………………………3 LABORATORIO N° 2 Ensayo de dureza Brinell para materiales metálicos……………8 LABORATORIO N° 3 Ensayo de dureza Rockwell para materiales metálicos………..16 LABORATORIO N° 4 Ensayo de dureza Vickers para materiales metálicos…………23 LABORATORIO N° 5 Ensayo de dureza Leeb para materiales metálicos Ensayo de dureza Shore para materiales no metálicos………..29 LABORATORIO N° 6 Ensayo de tracción para materiales metálicos…………………42 LABORATORIO N° 7 Ensayo de compresión……………………………..…………….60 LABORATORIO N° 8 Ensayo de resiliencia para materiales metálicos.………………78 LABORATORIO N° 9 Ensayo de torsión…………………………………..…………….91 LABORATORIO N° 10 Ensayo de flexión..………………………………..…………….. 97

Ensayo de la Chispa 3

LABORATORIO No 1

IDENTIFICACIÓN DE ACEROS - ENSAYO DE CHISPA

OBJETIVOS

• Familiarizarse con los aceros de nuestro medio • Identificar diferentes tipos de aceros mediante el análisis del ensayo de chispa • Definir la aplicación de cada acero analizado en la práctica

1.1 INTRODUCCIÓN TEÓRICA Para identificar de una forma rápida y aproximada el tipo de acero y el porcentaje de carbono que se posee en el acero, existe el ensayo de chispa. Con esto, se puede reconocer la calidad del acero de una determinada pieza, no obstante se requiere una experiencia relativamente larga para la identificación e interpretación de la chispa. Al atacar una pieza de acero con una muela de esmeril girando a gran velocidad, arranca partículas de aceros que son proyectadas tangencialmente por la periferia de la muela. Al mismo tiempo que tiene lugar este arranque, se produce un fuerte calentamiento local, las partículas se desprenden a altas temperaturas que las ponen incandescentes, produciéndose rayos luminosos, chispas, explosiones, estrellas, arborescencias luminosas, etc. Cada tipo de acero produce una serie de chispas diferentes, mediante la observación de estas, pueden identificarse determinados tipos de aceros. Este ensayo no puede sustituir al análisis químico, pero permite reconocer bastante bien las características del material y la presencia de ciertos elementos de aleación. Debe de tenerse en cuenta, que la carburación o descarburación pueden ser causantes, para una errónea clasificación de un acero.

1.1.1 Características de la chispa Un haz de chispa puede dividirse en tres partes principales (fig. 1.1):

a. La primera a la salida de la piedra del esmeril, que se encuentra formada por rayos rectilíneos en los que puede observarse perfectamente el color característico.

b. La segunda, es la zona de las bifurcaciones, y algunas veces tienen lugar en ella

algunas explosiones.


c. La tercera y última zona, es donde aparecen la mayor parte de las explosiones, que adoptan diversas formas, que se denominan estrellas, gotas, lenguas, flores, etc.

La observación debe de hacerse, en lo posible, en un lugar oscuro. La muela debe de girar en sentido contrario al ordinario, para que el haz de chispas se proyecte hacia arriba y poder así, observarlo mejor.

1.1.2 Chispas de diferentes tipos de aceros

Los aceros al carbono de 0.15 a 0.13% de C dan chispas formadas por rayos lisos de color amarillo oscuro, en la punta, aumentan ligeramente el volumen y la luminosidad. A medida que aumenta el contenido de carbono, aumenta el número de explosiones en formas de lanzas y flores, siendo más brillantes y luminosas. El molibdeno se identifica, en los aceros que lo contienen, por aparecer en los extremos de los rayos amarillos una prolongación completamente separada de color rojo anaranjado. El wolframio también se identifica con facilidad, por que da chispas de color rojo oscuro, menos luminoso que el de todos los aceros, que sólo se aprecia en locales oscuros. Si la proporción de wolframio es alta, de más de 18%, las chispas son todas rojas, aunque a veces se producen ligeras explosiones de color rojo. Pero si la proporción de wolframio es inferior, aparecen explosiones violentas en forma de flores en las puntas, de color amarillo y blanco. El silicio, en porcentaje del 1 al 2%, en los aceros para resortes da lugar a chispas con rayas largas y gotas brillantes, casi blancas, desapareciendo las explosiones de los aceros al carbono.

Fig. 1.1


En las figuras siguientes se presenta algunos ejemplos de los tipos de chispas.

FORMA DE LAS CHISPAS IMÁGENES DE CHISPAS TIPO DE ACERO AISI-Standard Composición en %

Ramillete con espinas, y puntas de lanza color rojo

Acero templado y revenido 4140 0,42 C 1,1 Cr 0,2 Mo

Líneas continuas, algunas espinas, formado por estallidos de Carbono

Acero endurecido 0,21 C 1,3 Mn 1,2 Cr

Líneas continuas, más espinas se formaron por estallidos de Carbono

Acero al carbono para herramientas 1045

0,45 C 0,3 Si 0,7 Mn

Muchos estallidos de Carbono que empiezan al pie del haz, muchos ramos

Acero al carbono para herramientas W1

1,05 C 0,2 Si 0,2 Mn

Antes de los estallidos de Carbono se incrementa la luz en el flujo primario. Muchos ramos pequeños

Acero aleado con Mn-Si S4 0,60 C 1,0 Si 1,1 Mn 0,3 Cr

Flujo de líneas amarilla, aclarando en el centro, formando espinas en los extremos

Acero para herramientas aleado Mn 02

0,90 C 2,0 Mn 0,4 Cr 0,1 V

Pocos estallidos finos de Carbono seguidos por club liso luminoso

Acero para herramientas aleado W S1

0,60 C 0,6 Si 1,1 Cr 0,2 V 2,0 W

Un flujo delgado y lineal, el cuadro de la chispa vivo, líneas discontinuas en las cabezas

Acero para herramientas aleado Cr-W O1

1,05 C 1,0 Mn 1,0 Cr 1,2 W

Haz corto Templado: con pocos Endurecido: con muchos ramos luminosos

Acero para herramientas aleado con Cr carbono alto, ledeburita alta

D2 1,55 C 12,0 Cr 0,7 Mo 1,0 V

El flujo de líneas continuas, alguno estallidos de carbono, línea coloreada de naranja en la

Acero para trabajo en caliente, alta aleación H13

0,40 C 1,0 Si 5,3 Cr 1,4 Mo


cabeza 1,0 V

El flujo de líneas rojo oscuro con brillo en la punta de la lanza, pocas espinas

Acero de alta velocidad M2

0,90 C 4,1 Cr 5,0 Mo 1,9 V 6,4 W

Líneas del flujo rojas, punteadas oscuras con brillos en las cabezas de la línea

Acero de alta velocidad T42

1.23 C 4,1 Cr 3,8 Mo 3,3 V

10,0 W 10,5 Co

Haz corto con espina como los estallidos de carbono

Acero inoxidable 420 0,40 C 13,0 Cr

Flujo continuo, línea sin los estallidos de carbono

Acero inoxidable 304 <0,07 C 18,5 Cr 9,0 Ni

1.2 ENSAYO DE LA CHISPA

Para poder realizar el ensayo hay que tomar en cuenta lo siguiente:

1.2.1 Material y equipo

• Acero de bajo contenido de carbono • Acero súper rápido HSS • Acero inoxidable • Fundición a base acero • Una esmeril de grano grueso • Lentes de protección 1.2.2 Procedimiento

A partir de este ensayo, se tiene que identificar los materiales proporcionados, para esto, es necesario familiarizarse con las formas y características básicas de las chispas presentadas en el marco teórico. El ensayo consiste en hacer que una pieza a examinar entre en contacto con una piedra esmeril, se recomienda que la prueba de la chispa sea realizada en un ambiente oscuro y con una piedra esmeril con un diámetro de 150 mm y 1500 rpm. Es necesario que cumpla con los requisitos de seguridad mínimos, poseer las gafas protectoras de ojos, guantes, además verificar que las condiciones de operatividad del


esmeril sean los óptimos: sin excesos de vibraciones, que la piedra de esmeril no se encuentre con excentricidad y sin grietas o fisura. Se debe prestar atención, que la superficie de la piedra esmeril se encuentre limpia. Los resultados se deducen por los siguientes parámetros: se examina el color, la tonalidad, la forma y todas las peculiaridades de la chispa.

1.3 BIBLIOGRAFÍA

APPOLD, Hans. Tecnología de los métales. Editorial Reverté S.A. Barcelona

Catálogo de aceros, herramientas de corte y soldadura. IVAN BOHMAN C.A. Guayquil.

www.infonegocio.com/industriastey/espanol/p_14_html www.adecaecuador.com www.andecsa.com www.matwe.com/search/SpearchmaterialPrint.asp?bassnum=MSA36C -

Ensayo de Dureza Brinell 8

LABORATORIO No 2 MATERIALES METALICOS

ENSAYO DE DUREZA BRINELL OBJETIVO

• Realizar el ensayo de dureza Brinell sobre distintos materiales metálicos, mediante la utilización de la máquina de ensayos de dureza.

2.1INTRODUCCIÓN TEÓRICA Antes de analizar la dureza Brinell, es conveniente, comprender que es una norma, debido a que todos los ensayos se fundamentan en ellas. 2.1.1 ¿Qué es una norma? ¿Para qué sirve? Según AENOR. “Una norma es un documento de aplicación voluntaria que contiene especificaciones técnicas basadas en los resultados de la experiencia y del desarrollo tecnológico. Las normas son el fruto del consenso entre todas las partes interesadas e involucradas en la actividad objeto de la misma. Además, debe aprobarse por un Organismo de Normalización Internacional reconocido. Las normas son la herramienta fundamental para el desarrollo industrial y comercial de un país, ya que sirven como base para mejorar la calidad en la gestión de las empresas, en el diseño y fabricación de los productos, en la prestación de servicios, etc., aumentando la competitividad en los mercados nacionales e internacionales. En la actualidad existen normas para casi todo. Normas sobre la composición y características de las materias primas (plásticos, aceros, madera,...), normas sobre productos industriales (tornillos, electrodomésticos, herramientas,...), sobre productos de consumo (juguetes, mobiliario, zapatos, productos alimenticios,..), maquinaria, servicios de limpieza, etc.”1. Durante el desarrollo de los distintos ensayos, se utilizaran diferentes normas, procurando que sean actualizadas y conocidas en el medio, entre ellas podemos mencionar: ISO, INEN, ASTM, etc.

2.1.2 La dureza

La dureza se puede definirla, como la resistencia a la formación de huellas, localizadas en una superficie, por un penetrador normalizado y en condiciones normalizadas.

1 www.es/desarrollo/normalizacion/quees/ventajas [consulta 11 de octubre del 2007].


En sentido más amplio, se entiende por dureza de un material, la resistencia superficial a la deformación. 2.1.2.1 Propiedades mecánicas de los materiales La dureza en los materiales metálicos se fundamenta en las siguientes propiedades:

a. COHESION: resistencia de los átomos a separarse unos de otros. b. ELASTICIDAD: capacidad de un material de recobrar su forma primitiva

cuando cesa la causa que lo deforma.

c. PLASTICIDAD: capacidad de un material a deformarse. Se clasifica en: - MALEABILIDAD: facilidad a deformarse en laminas; - DUCTIBILIDAD: facilidad a deformarse en hilos.

2.1.2.2 Definiciones de dureza Anteriormente ya se habían expresado varias definiciones, pero legalmente, según el método a realizarse, pueden haber diferentes formas de definirla: a) Dureza al rayado: resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro.

Dureza Mohs (mineralúgica). Dureza Lima. Dureza Martens. Dureza Turner.

b) Dureza a la penetración: resistencia que opone un material al ser penetrado por otro más duro.

Brinell. Vickers. Rockwell.

c) Dureza elástica: reacción elástica de un material cuando se deja caer sobre él un cuerpo más duro.

Leeb. d) Dureza Pendular: resistencia que opone un material a que oscile un péndulo sobre él. 2.2 DUREZA BRINELL2 El profesor Brinell estudió, la forma de determinar, de manera cuantitativa, durezas en los metales, basándose en la huella producida por un penetrador de forma esférica y dimensiones determinadas, al comprimirlo bajo una carga estática sobre el material ensayado.

2 Johan August Brinell (1849-1925), metalurgista sueco, fue un importante contribuyente a la metalurgia de los aceros. Su aparato para prueba de dureza se presentó primero en 1900 en la Exposición de París. Los “probadores Brinell” actuales no tienen cambios esenciales en cuanto a su diseño.


2.2.1 Principio del Ensayo

La Norma ISO 6506-1, es aquella que nos guía y orienta para la realización del ensayo de dureza Brinell. La misma, expresa que: “se presiona un identador (esféra de carburo de diámetro D) contra la superficie de una probeta de ensayo y se mide el diámetro de la huella d dejada en la superficie al retirar la carga F (fig. 2.1). La dureza Brinell es proporcional a la relación obtenida dividiendo la carga de ensayo entre el área de la

superficie curva de la huella. La huella se supone esférica con un radio correspondiente a la mitad del diámetro de la esfera de indentación”3. 2.2.2 Símbolo y designación Véase la Tabla 1.

a) La dureza Brinell se designa por HBW.

3 Materiales metálicos. Ensayo de dureza Brinell. Parte 1: (ISO 6506-1:1999): 6.

Fig. 2.1


b) Las letras HBW van precedidas por el valor de la dureza complementado por un índice que indica las condiciones de ensayo en el orden siguiente: • El diámetro de la esfera en mm. • Un número que representa la carga de ensayo (véase la Tabla 2).

2.2.3 Máquina de ensayo Una máquina debe ser capaz de aplicar una carga de ensayo predeterminada o bien cargas en un rango entre 9,807N y 29,42kN de acuerdo con la Norma ISO 6506-2. 2.2.3.1 Indentador o Penetrador Los penetradores empleados son bolas pulidas, esféricas y sin defectos superficiales, tienen los siguientes diámetros: 10, 5, 2.5 y 1 mm., como indica la Norma ISO 6506-2. 2.2.4 Probeta de ensayo Según la ISO 6506-1, una probeta para ser sometida a ensayo, debe cumplir con las siguientes condiciones:

• Tener una superficie lisa. • Libre de oxidación. • Acabado superficial aceptable. • El espesor de la probeta debe ser al menos ocho veces la profundidad de

la huella.


)(2102,0

22 dDDDFx

−−π

2.2.5 Procedimiento Antes de realizar el ensayo es necesario conocer el diámetro de la esfera que posee cada equipo y luego calcular la carga de ensayo que habrá aplicar en la máquina, por eso entonces, se recurre a la Tabla 2. Para realizar el ensayo de dureza Brinell, de acuerdo a la Norma ISO 6506-1 se requiere tomar presente, los siguientes detalles:

• La carga de ensayo se debe elegir de forma que el diámetro de huella d quede comprendido entre los valores 0,24 D y 0,6 D .

• La relación carga-diámetro (0,102x 2/ DF ) se debe elegir de acuerdo con el

material y el ensayo de dureza como se indica en la Tabla 3. • Se coloca la esfera de indentación en contacto con la superficie de ensayo y se

aplica la carga de ensayo en dirección perpendicular a la superficie, evitando sacudidas, vibraciones o deslizamientos, hasta que la carga aplicada alcance el valor estipulado.

El tiempo entre la aplicación inicial de carga y el momento en que se alcanza la

carga total de ensayo no será menor de 2s ni mayor de 8s. Se mantiene la carga de ensayo entre 10s y 15s. Para algunos materiales para los que se requiera un mayor tiempo de aplicación de la carga, este tiempo se debe aplicar con una tolerancia de ±2s.

• Para encontrar el valor de la dureza se mide el diámetro de la huella y luego se

aplica la siguiente fórmula:


2.2.6 Informe del ensayo El informe de ensayo debe incluir la información siguiente:

a) una referencia a esta norma internacional, es decir, ISO 6506-1; b) todos los detalles necesarios para la identificación de la probeta de ensayo; c) la temperatura de ensayo si no esta dentro de los limites (23 ± 5)°C; d) el resultado obtenido; e) requisitos adicionales fuera del propósito de esta parte de la Norma ISO 6506; f) detalles de cualquier incidencia que pueda afectar al resultado.

2.3 PRACTICA DE DUREZA BRINELL Para la realización del ensayo, hay que tomar en cuenta: 2.3.1 Máquina de ensayo Para el ensayo Brinell se utiliza la máquina de marca FRANK de procedencia alemana (fig. 2.2).


Partes del durómetro: 1. Cuerpo 2. Indicador 3. Penetrador 4. Yunque

5. Tornillo de regulación 6. Volante regulador de altura 7. Palanca

2.3.2 Equipo A parte de la máquina, se requiere:

• Esferas de carburo, diámetro de 2.5mm. • Pesas de 187,5 y 62,5 kgf. • Lupa con regla graduada.

2.3.3 Materiales El ensayo se lo realiza sobre los siguientes materiales en estado de suministro.

• Acero al carbono para máquina (ASSAB 760). • Bronce SAE 40. • Acero para trabajo en frío (XW-5).

2.5 BIBLIOGRAFÍA

• Materiales metálicos. Ensayo de dureza Brinell. Parte 1: (ISO 6506-1:999). • Materiales metálicos. Ensayo de dureza Brinell. Parte 2: Verificación y calibración

de las máquinas de ensayo (ISO 6506-2:1999). • ASTM E10-07 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials. • GOMEZ, Sergio Gónzalez. Control de calidad en fabricación mecánica. Ediciones

Ceysa. Barcelona. 2007. • SCHAFFER, James P. Ciencia y diseño de los materiales para ingeniería. Editorial

Ceysa. México. 1999. • www.frrg.utn.edu.ar/cienciadpdf • www.elprisma.com • www.acerosarequipa.com/ingm0302.asp • www.aneor.es • www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi2000/santa-fe-sur/ensayodemateriales • www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorios/durezam4.htm


UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD

REPORTE DEL ENSAYO ENSAYO DE DUREZA

Hardeness testing Cliente/Customer Producto/Job Reporte/Report: Material/Material Fecha del ensayo/Test date Página/Page: de/of Probeta/Test piece Espesor mm/Thickness mm

CONDICIONES DE ENSAYO/TEST CONDITIONS Norma de ref./Reference standard Condiciones superficiales/Surface finish

MÁQUINAS DE ENSAYO/TESTING MACHINE Marca: Tipo: Matrícula:

Penetradores: Matrícula: Sistema de medición

CROQUIS/PICTURE

Ubicación Posición de identificación/Position of indication Dureza....... /Hardness......

NOTA:

Operador/Operator Director Laboratorio de Control de Calidad for laboratory

Ensayo de Dureza Rockwell 16

LABORATORIO Nº 3 MATERIALES METÁLICOS

ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL

OBJETIVOS • Seleccionar la escala de ensayo Rockwell apropiado para diversos materiales. • Realizar el ensayo de dureza Rockwell sobre distintos materiales metálicos,

mediante la utilización de la máquina de ensayo de dureza. 3.1. INTRODUCCIÓN TEÓRICA La dureza es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica (en materiales que muestran al menos una cierta ductilidad). En un ensayo de dureza se coloca una carga en un indentador o penetrador, que es un elemento con punta que se hace penetrar en la superficie del material de ensayo (probeta). La cantidad que penetra el indentador en la probeta es una medida de la capacidad del material para resistir la deformación plástica. 3.2. DUREZA ROCKWELL1 Los ensayos Brinell no son aptos para medir la dureza de los aceros templados, debido a las deformaciones que experimentan los penetradores de esferas, incluso siendo estas de carburo de wolframio. La dureza de Rockwell se usa ampliamente con muchas escalas disponibles para diferentes rangos de dureza (Tabla 1). La dureza Rockwell se basa en la profundidad de la penetración ∆h, más que en el diámetro de la huella que se utiliza en el método Brinell. 3.2.1 Principio del Ensayo Para el ensayo de dureza Rockwell nos apoyamos en la Norma ISO 6508-1, la cual expresa que: “se presiona un indentador (cono de diamante, esfera de acero o de carburo) contra la superficie de la probeta de ensayo en dos pasos bajo condiciones especificadas. Se mide la profundidad permanente h de la huella bajo la carga preliminar de ensayo después de retirarla”2 (fig. 3.1). A partir del valor de h y de las dos constantes N y S (véase la Tabla 2), la dureza Rockwell se calcula siguiendo la fórmula:

ShNRockwellDureza −=

1 El probador de dureza de Rockwell fue inventado en 1919 por Stanley P. Rockwell, metalurgista estadounidense. La palabra “Rockwell” aplicada al aparato de prueba y los estándares de referencia, es una marca registrada en varios países, incluyendo Estados Unidos. 2 Materiales metálicos. Ensayo de dureza Rockwell. Parte 1: (ISO 6508-1:999): 7.


3.2.2 Símbolo y Designación En la tabla 1 se presentan las diferentes escalas de dureza Rockwell, como también las cargas de ensayo y su campo de aplicación, mientras que en la tabla 2 se puede observar los símbolos con sus respectivas denominaciones. Ver también la fig. 3.1.


Comentarios de la “Tabla 1” y “Tabla 2”

a) La dureza Rockwell para las escalas A, C y D se denota por el símbolo HR precedido por el valor de la dureza y completado con una letra indicativa de la escala.

b) La dureza Rockwell para las escalas B, E, F, G, H y K se denota por el símbolo HR precedido por el valor de dureza y completado por una letra indicativa de la escala y una letra para el tipo de esfera indentadora utilizada (S para acero y W para carburo).

c) La dureza Rockwell superficial para la escala N se denota por el símbolo HR precedido por el valor de la dureza y seguido por un número (que representa la carga total de ensayo) y la letra N indicativa de la escala.

d) La dureza Rockwell superficial para la escala T se denota por el símbolo HR precedido por el valor de la dureza y seguido por un número (que representa la carga total de ensayo) y la letra T indicativa de la escala, seguida por una letra para el tipo de esfera indentadora aplicada (S para acero y W para carburo).


3.2.3 Máquina de ensayo La máquina debe tener la capacidad de aplicar cargas predeterminadas como se muestra en la tabla 1 y de acuerdo con la Norma ISO 6508-2. 3.2.3.1 Diamante cónico de indentación, según la Norma ISO 6508-2, tiene que tener un ángulo de 120° y un radio de curvatura en la punta de 0,2 mm. 3.2.3.2 Indentador de esfera de acero o de carburo, de acuerdo con la Norma ISO 6508-2, con un diámetro de 1,5875 mm ó 3,175 mm. 3.2.3.3 Dispositivo de medida, de acuerdo con la Norma ISO 6508-2. 3.2.4 Probeta de ensayo Según la ISO 6506-1, la probeta para ser sometida a ensayo debe cumplir con las siguientes condiciones:

• Tener una superficie lisa. • La capa libre de óxido. • Acabado superficial aceptable. • El espesor de la probeta debe ser al menos diez veces la profundidad de la

huella permanente para indentadores cónicos y quince veces la profundidad de la huella permanente para indentadores de esfera.

• Para ensayos sobre superficies esféricas se deben aplicar las correcciones dadas en las tablas C.2 y C.3 del Anexo I.

3.2.5 Procedimiento Para el ensayo de dureza Rockwell se debe tomar en cuenta lo siguiente:

• En general, el ensayo se debe llevar a cabo a temperatura ambiente dentro de los límites de 10 °C a 35 °C. Los ensayos llevados a cabo bajo condiciones controladas se debe realizar a una temperatura de (23± 5) °C.

• La probeta de ensayo se debe colocar sobre un soporte rígido y sustentada de tal forma que la superficie a indentar esté en un plano normal al eje del indentador y a la línea de la fuerza de indentación, de modo que se evite el desplazamiento de la probeta de ensayo. Los productos de forma cilíndrica se deben colocar de manera adecuada (centrándolas en bloque de acero en V).

• Colocar el indentador en contacto con la superficie de ensayo y aplicar la carga de ensayo preliminar 0F sin vibraciones. La duración de la carga de ensayo preliminar no debe de exceder de 3s.

• Situar el dispositivo de medida en su posición de toma de datos y, sin sacudidas, vibraciones ni oscilaciones incrementar la carga desde F0 hasta F en no menos de 1s ni mas de 8s.

• La carga total de ensayo F se debe mantener durante un tiempo de 4 s. ± 2 s. Eliminar la carga de ensayo adicional F1 y, tras un corto tiempo de estabilización, manteniendo la carga de ensayo preliminar F0, se debe tomar la lectura final.

• El valor de dureza Rockwell se obtiene de la profundidad de huella permanente h utilizando las fórmulas dadas en la tabla 2 y normalmente se lee directamente del


dispositivo de medida. La obtención del valor de dureza Rockwell se ilustra en la figura 3.1.

3.2.6 Informe del ensayo El informe de ensayo debe incluir la siguiente información:

a) una referencia a esa norma internacional, es decir, ISO 6508-1; b) todos los detalles necesarios para la identificación de la probeta de ensayo; c) la temperatura de ensayo si no está dentro de los limites (23± 5)°C; d) el resultado obtenido; e) todas las operaciones no especificadas en esta parte de la Norma ISO 6508,

o considerar como opcionales; f) detalles de cualquier suceso que pueda afectar al resultado.

3.3 PRÁCTICA DE DUREZA ROCKWELL Para la realización del ensayo, hay que tomar en cuenta lo siguiente: 3.3.1 Máquina de ensayo Se dispone de dos máquinas de ensayos, una: marca FRANK de procedencia alemana y otra de marca WILSON de fabricación de Estados Unidos (fig. 3.2).


Partes del durómetro:

1. Cuerpo 2. Palanca de bloqueo 3. Pesas 4. Volante de regulación altura

5. Protector tornillo 6. Yunque 7. Penetrador 8. Indicador de escalas

3.3.2 Equipo

• Esfera de carburo diámetro 1/16”. • Diamante cónico de penetración (ángulo 120º). • Pesas de 100 kgf (980,7N) y 150 kgf (1471 N).

3.3.3 Materiales

• Bronce al Aluminio AB-2. • Acero para trabajo en frío (XW-5) en estado de suministro. • Acero para moldes de plástico (AISI P20) en estado de suministro. • Acero para trabajos en frío (XW5) con tratamiento térmico. • Acero para trabajo en frío DF-2 con tratamiento térmico. • Aceros cilíndricos de diferentes diámetros en estado de suministro y con

tratamientos térmicos. 3.5 BIBLIOGRAFÍA

Materiales metálicos. Ensayo de dureza Rockwell. Parte 1: Método de ensayo (ISO 6508-1:1999).

Materiales metálicos. Ensayo de dureza Rockwell. Parte 2: Verificación y calibración de las máquinas de ensayo (ISO 6508-2:1999).

ASTM E18-07 Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials.

Gómez Sergio Gónzalez. Control de calidad en fabricación mecánica. Ediciones Ceysa. Barcelona. 2007.

SCHAFFER.James P. Ciencia y diseño de ingeniería de los materiales. Compañía Editorial Cintinental. México. 2000.

Shackelford James F. Ciencia de materiales para ingenieros. Tercera edición. Prentice Hall Hispanoamericana, S.A.

www.frrg.utn.edu.ar/cienciadpdf www.elprisma.com www.acerosarequipa.com/ingm0302.asp www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi2000/santa-fe-sur/ensayodemateriales www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorios/durezam4.htm


ANEXO I

Ensayo de Dureza Vickers 23

LABORATORIO Nº 4 MATERIALES METÁLICOS

ENSAYO DE DUREZA VICKERS OBJETIVOS • Analizar la norma de ensayo Vickers según ISO 6507.

4.1. INTRODUCCIÓN TEÓRICA Este ensayo deriva directamente del método Brinell. La dureza Vickers1 se emplea de manera especial para elementos con tratamiento superficial, piezas delgadas y templadas con espesores mínimos de hasta 0,2 mm. Es otro método muy útil y extendido para la dureza de los materiales, ideado por el inglés Vickers. Su fundamento es parecido al de Brinell, se basa en la resistencia que oponen los cuerpos a ser penetrados por otros más duros y también se halla la dureza, dividiendo la carga por la superficie de la huella. A esta prueba Vickers, denominada también como microdureza, se usa cuando se desea una indicación local de dureza, dentro de una entidad microestructural del tamaño de un grano. Esas mediciones son útiles para estimar la variabilidad de las propiedades mecánicas entre diversas regiones de la pieza de prueba. 4.2. DUREZA VICKERS 4.2.1. Principio del Ensayo Para este ensayo nos apoyamos en la Norma ISO 6507-1, se fundamenta en un penetrador “de diamante, con forma de pirámide recta de base cuadrada y con un ángulo prefijado entre las caras opuestas en el vértice, se fuerza contra la superficie de una probeta. Seguidamente se mide la longitud de la diagonal de la huella que ha quedado en la superficie, al dejar de aplicar la carga de ensayo F”2 (fig. 4.1).

1 Este ensayo fue introducido en el año 1925. 2 Materiales metálicos. Ensayo de dureza Vickers. Parte 1: (ISO 6507-1:997): 6.


La dureza Vickers es proporcional al cociente obtenido al dividir la carga aplicada entre el área de la superficie inclinada de la huella, suponiendo que es una pirámide recta cuadrada, con el mismo ángulo en el vértice que el penetrador. 4.2.2 Símbolo Y Designación Véase la tabla 2 y figura 4.1

La dureza Vickers se designa por HV precedido del valor numérico de dureza y seguido por

a) un número representativo de la carga de ensayo. (véase la tabla 3); b) la duración de la carga, en segundos, si fuera diferente del tiempo especificado (10

a 15 segundos).

EJEMPLO 640 HV 30 = Dureza Vickers de 640, determinada con una carga de ensayo 249,2 N, aplicada durante 10 s y 15 s. 4.2.3 Máquina de ensayo Para este ensayo es necesario tener una máquina capaz de aplicar una carga prefijada u otras cargas comprendidas dentro del rango requerido de cargas de ensayo, de acuerdo lo indicado en la Norma ISO 6507-2. 4.2.3.1 Penetrador Es un diamante con forma de pirámide recta de base cuadrada, según se especifica en la Norma ISO 6507-2 (fig. 4.1). 4.2.4 Probeta de ensayo El ensayo debe llevarse acabo: • sobre una superficie lisa y uniforme; • libre de óxidos y otras materias extrañas; • el acabado superficial debe permitir una determinación precisa de la longitud de la

diagonal de la huella; • el espesor de la probeta o de la capa de material a ensayar, debe ser al menos 1.5

veces mayor que la longitud de la diagonal de la huella; • para ensayos sobre superficies curvas, se deben aplicar las correcciones dadas en el

ANEXO I (de la tabla B.1 y B.2)


4.2.5 Procedimiento Para realizar el ensayo de dureza Vickers hay que tomar en cuenta:

• se deben utilizar las siguientes cargas de ensayo (tabla 3);

• es importante que la probeta descanse firmemente sobre un soporte rígido para que no se produzcan desplazamientos durante el ensayo;

• se pone el penetrador en contacto con la superficie de ensayo y se aplica la carga

perpendicularmente a la superficie, sin golpe ni sacudida, hasta que la carga aplicada alcance el valor fijado. El tiempo transcurrido entre la aplicación inicial de la carga y el momento en que se alcanza la carga total de ensayo, no debe ser menor de 2s, ni mayor de 8s. En los ensayos de dureza a baja carga y de microdureza, este tiempo no debe exceder los 10s. En los ensayos de dureza a baja carga y de microdureza, la velocidad de aproximación del penetrador no debe exceder de 0,2 mm/s. El tiempo de aplicación de la carga de ensayo debe estar comprendido entre 10 s y 15 s;

• se mide la longitud de las dos diagonales. Se debe tomar la media aritmética de las dos lecturas para el cálculo de la dureza Vickers.

4.2.6 Informe del ensayo El informe de ensayo debe incluir la información siguiente:

a) referencia a esta parte de la Norma ISO 6507; b) todos los detalles necesarios para la identificación de la probeta; c) el resultado obtenido; d) todas las operaciones no especificadas en esta parte de la Norma ISO 6507; e) detalles de cualquier incidente que puede haber afectado los resultados; f) la temperatura de ensayo si esta fuera de (rango especificado 23± 5°C).


4.3 PRACTICA DE DUREZA VICKERS 4.3.1 Máquina de ensayo y Equipo El ensayo Vickers se utiliza una máquina que tenga el siguiente equipo:

• diamante de forma de pirámide recta de base cuadrada; • carga de ensayo de: 10, 20, 30 kgf (según tabla 3); • lupa con regla graduada.

4.3.2 Materiales Los materiales recomendados para la práctica son los siguientes:

• ASSAB 7210, con tratamiento térmico (cementado); • Bohler 410, con tratamiento térmico; • Lamina delgada; • diámetros pequeños (1mm hasta 3mm).

4.5 BIBLIOGRAFÍA • Materiales metálicos. Ensayo de dureza Vickers. Parte 1: Método de ensayo (ISO

6507-1:1997). • Materiales metálicos. Ensayo de dureza Vickers. Parte 2: Verificación y calibración

de las máquinas de ensayo (ISO 6507-2). • ASTM E384-05a Standard Test Method for Microindentation Hardness of

Materials. • GÓMEZ. Sergio González. Control de calidad en fabricación mecánica. Ediciones

Ceysa. Barcelona. 2002. • SCHAFFER. James P. Ciencia y diseño de los materiales para ingeniería. Editorial

Ceysa. México. 1999. • www.frrg.utn.edu.ar/cienciadpdf • www.elprisma.com • www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorios/durezam4.htm • www.inoxidable.com/dureza.htm • www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi2000/santa-fe-sur/ensayodemateriales


ANEXO I

Ensayo de dureza Leeb y Shore 29

LABORATORIO Nº 5 ENSAYO DE DUREZA LEEB PARA MATERIALES

METALICOS ENSAYO SHORE PARA MATERIALES NO METALICOS

OBJETIVOS

• Realizar el ensayo de dureza sobre distintos materiales metálicos, mediante el método de energía.

• Realizar el ensayo Shore sobre materiales no metálicos. 5.1. INTRODUCCIÓN TEÓRICA La firma Procep en su página Web, relata lo siguiente: “Hace 30 años, el científico Dietmar Leeb, trabajando en el equipo de la empresa suiza Proceq, desarrolló un novedoso, revolucionario y elegante método de medida de dureza de metales con una precisión y repetitividad similar a la de los durómetros tradicionales de sobremesa, pero con la ventaja de que este nuevo instrumento, con un peso de 750 gramos, era portátil y tenía acceso a zonas de la muestra en las que otros durómetros tradicionales no podían medir. Por las características físicas de este método, en 1975 fue denominado método Equotip -de Energy Quotient y tip (cociente de energías y golpecito)-, nombre con el que Proceq registró entonces el primer durómetro portátil absolutamente fiable de la historia.

En 1978, a instancias de Proceq, Dietmar Leeb publicó el ensayo científico «Nuevo método dinámico para ensayo de medidas de dureza en materiales metálicos», con el que el valor L se dio a conocer internacionalmente y popularizó el uso de Equotip como método de control de calidad.

El valor L es un valor de dureza equivalente a un cociente invariable que, desde 1996, se encuentra normalizado por la agencia norteamericana de normalización ASTM. La norma ASTM A-956, que desde su aprobación ha tenido tres revisiones, recibió inicialmente el nombre de «Método normalizado Equotip para la medida de dureza en acero». En 2002, sin embargo, modificó su nombre al genérico «Método normalizado de Leeb para la medida de dureza en acero», por la presión de fabricantes de las copias del instrumento original que se han multiplicado por el éxito y fiabilidad del método”1. 5.2. DUREZA LEEB 5.2.1 Principio de Ensayo Como informa la firma Procep en su pagina Web, “El método de medida Equotip se basa en el lanzamiento de un cuerpo de impacto impulsado por un resorte contra una superficie de prueba. Las velocidades de impacto y retroceso (Vi, Vr) se miden y se procesan para

1 www.dagasl.es/daga30anoseq.htm El método Leeb y Equotip: una revolución en los métodos de medida de dureza.


convertirlas en el valor de dureza L (Escala Leeb, L=1000*Vr/Vi). Los valores resultantes se convierten automáticamente a las unidades de dureza convencionales como Rockwell (HRC, HRB), Brinell (HB), Vickers (HV) y Shore (HS)”2, (fig. 5.1).

El método dinámico de dureza Leeb, se fundamenta en la Norma ASTM A 956:02, utilizado en aceros y hierro colado. 5.2.2 Terminología y definiciones 5.2.2.1 Calibración. Determinación de los valores de los principales parámetros de operación del instrumento por comparación de los valores indicados por un instrumento referencial o por un juego de normas referenciales. 5.2.2.2 Número de dureza Leeb. “Un número igual a la relación entre la velocidad de rebote y la velocidad de impacto de una bola de carburo de tungsteno de 3 mm o 5 mm de diámetro (basado en el tipo del dispositivo de impacto) o de un cuerpo de impacto con punta de diamante, multiplicado por 1000. (1) El número de dureza Leeb va seguido del símbolo HL con uno o más caracteres de subfijo que representan el tipo del dispositivo de impacto”3. 5.2.2.4 Ensayo de dureza Leeb. Un método de ensayo dinámico de dureza, que utiliza un instrumento calibrado que impacta una bola de carburo de forma esférica o un cuerpo con punta de diamante, con una velocidad fija (generada por una fuerza de resorte) contra una superficie del material en ensayo. La relación entre la velocidad de rebote y la velocidad de impacto del cuerpo de impacto, es una medida de la dureza del material en ensayo. 2 www.dagasl.es/daga30anoseq.htm 1975-2005. El método Leeb y Equotip: una revolución en los métodos de medida de dureza. 3 Standard Test Method for. Leeb Hardness Testing of Steel Products. A 956-02: 1.

1000×=Impacto de VelocidadRebote de VelocidadL


Fig. 5.3

5.2.3 Aparato

El instrumento utilizado para el ensayo de dureza Leeb (fig. 5.2), consta de:

1. Tubo de carga. 2. Tubo guía. 3. Bobina con su soporte. 4. Botón del disparador. 5. Cable de conexión. 6. Tope anular. 7. Cuerpo móvil. 8. Bola de ensayo. 9. Muelle de disparo. 10. Muelle de carga. 11. Pinza de retención. 12. Material que se ensaya

Dispositivos de impacto. Existen seis tipos de dispositivos

utilizados en el ensayo de dureza Leeb. Estas son las unidades de impacto D, DC, D+15, G, C y E.

Resumen del método de ensayo. Durante un ensayo de

dureza, un cuerpo de impacto con un carburo de tungsteno de forma esférica o una punta de diamante, impacta bajo acción de un resorte, la superficie en ensayo, desde la cual rebota. Las velocidades de impacto y rebote se miden cuando el cuerpo de impacto se encuentra a 1 mm de la superficie de ensayo.

5.2.4 Pieza de ensayo

Forma. El ensayo de dureza Leeb es apto para el acero, acero moldeado y hierro colado de formas y medidas diferentes (fig. 5.3). Espesor y peso. El espesor y el peso de la pieza de ensayo, se deben considerar al seleccionar el dispositivo de impacto a ser empleado. A continuación tenemos una tabla donde se presentan, pesos

y medidas mínimas de las piezas a ensayar, a efectos de seleccionar el equipo apropiado de ensayo. Piezas de ensayo con peso inferior al mínimo o piezas de cualquier peso con secciones inferiores al espesor mínimo, requieren un soporte rígido y un acople a una superficie robusta y consistente, a efectos de que pueda resistir el impacto del dispositivo. De existir fallas de soporte y acople, se producirán resultados de ensayo con valores inferiores respecto al verdadero valor de dureza.

Fig. 5.2

6


Dispositivo de impacto Peso (min.) o Espesor (min.)

D, DC, D+15, E 15lb (5kg) 1/8 in. (3mm)

G 40lb (15kg) 3/8 in. (10mm)

C 4lb (1.5kg) 1/32 in. (1mm)

Curvatura. Piezas de ensayo de superficie curva pueden ser probadas ya sea por la superficie cóncava o bien por la convexa, tomando en consideración que este radio de curvatura de las probetas coincida con el tamaño del anillo de soporte y no sea inferior a 2 pulg. (50 mm) para el dispositivo de impacto G o 1 3/16” (30 mm) para los otros dispositivos de impacto. Preparación del acabado de la superficie. La superficie de ensayo debe ser cuidadosamente preparada, a fin de evitar cualquier alteración en la dureza, ocasionada por calentamiento durante el rectificado, o endurecimiento durante el maquinado. Cualquier residuo de pintura, cascarilla, poros u otro recubrimiento se lo debe remover completamente. Las superficies de ensayo deben ser lisas. Fallas en el acabado de la superficie pueden ocasionar resultados de ensayo falsos. Acabados bastos tienden a disminuir el valor de medición. Se recomienda que la superficie de ensayo sea maquinada o rectificada y pulida, corresponda a los siguientes acabados: (El tamaño de grano de la piedra de esmeril que se indica para cada tipo de acabado, está dado como guía, a fin de obtener el acabado anotado): Campos magnéticos. El desarrollo del ensayo de dureza Leeb en sitios con campos magnéticos residuales, puede afectar los resultados. Se recomienda que cualquier campo magnético residual sea inferior a 4 G. Vibración. La vibración de la probeta puede afectar los resultados del ensayo de dureza Leeb. Se recomienda efectuar este ensayo con la probeta en reposo.

Dispositivo de impacto

Acabado de superficie Ra

(máx.)

Tamaño de grano (Aprox.)

D, DC, D+15, E 63 μin. (2μm) 200

G 250 μin. (7μm) 65

C 16 μin. (0.4μm) 500


El ensayo de dureza Leeb, de acuerdo a la Norma: ASTM 956-02, es apto para acero, acero moldeado y hierro colado de formas y medidas diferentes. Para el dispositivo de impacto D, el espesor de la pieza de ensayo debe tener como mínimo 3 mm y 5 kg de peso. 5.2.5 Procedimiento

a) Método de Ensayo. Para realizar un ensayo de dureza, el dispositivo de impacto se conecta al dispositivo indicador y se enciende el instrumento. El dispositivo de impacto mientras no esté en contacto con la probeta se lo mantiene firme con una mano, presionando el tubo de carga con la otra mano, hasta sentir que se establece contacto. Al tubo de carga se lo permite regresar suavemente a la posición de partida. El cuerpo de impacto se encuentra ahora en su posición de cargado o cerrado. Luego de colocar el dispositivo de impacto sobre la superficie de ensayo, se pone en movimiento el cuerpo de impacto, al efectuar una pequeña presión sobre el botón de accionamiento. El valor de dureza Leeb se lo puede leer en el dispositivo indicador.

b) Alineación. A fin de prevenir errores provenientes de un mal alineamiento, se debe

mantener apretado el anillo de soporte base del dispositivo de impacto y perpendicular a la superficie de la probeta.

c) Dirección de impacto. El dispositivo de impacto está calibrado para la dirección

vertical inferior de impacto (perpendicular a una superficie horizontal). Para otras direcciones de impacto, tales como la de 45° con respecto al plano horizontal o a la superficie inferior, los valores de dureza medidos requerirán de ajuste (ver ANEXO I). Algunos modelos recientes compensan automáticamente la dirección de ensayo.

d) Espaciamiento. La distancia entre dos puntos cualesquiera de impacto, no debería

ser inferior a dos diámetros, de filo a filo. Ningún punto deberá ser impactado más de una vez.

e) Lectura del instrumento de Leeb. Los valores de dureza en las unidades Leeb, se

leen directamente sobre la pantalla electrónica del dispositivo indicador. El valor indicado se remplaza automáticamente por el siguiente resultado del ensayo de impacto.

f) Número de impactos. Cinco impactos sobre un área de aproximadamente 1

pulgada cuadrada (645 milímetros cuadrados) constituyen un ensayo. Si el material bajo ensayo es considerado no homogéneo (por ejemplo, hierro colado) se realizaran diez impactos sobre un área, a fin de que constituya un ensayo.

g) Temperatura. La temperatura de la probeta puede afectar los resultados del ensayo.

Adicionalmente, este efecto puede variar para diferentes materiales. El ensayo de acuerdo a este procedimiento debe ser realizado con una temperatura de la probeta de entre 40°F (4°C) y 100°F (38°C). Con temperaturas fuera de este rango, el usuario deberá desarrollar una corrección de temperatura para el material específico a ser ensayado.


5.2.6 Cálculo del resultado de dureza El resultado del ensayo de dureza es la media aritmética de las cinco lecturas individuales de impacto en el área de medición. Corrección a la dirección de ensayo. Cuando se utiliza un instrumento Leeb sin compensación automática para la dirección del ensayo, el valor de corrección para la dirección del impacto de ensayo, se lo substraerá del valor promedio determinado para el área de medición. Este valor de corrección puede ser determinado de acuerdo a la tabla X1.4 hasta la tabla X1.8. 5.3 DUREZA SHORE

La Norma ASTM D 2240-04, presenta un método de prueba, que cubre 12 tipos de recursos de medición de dureza Shore, conocidos como durezas, tipo: A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S, y R. La Norma, indica el procedimiento para determinar la dureza de sustancias clasificadas como: termoplásticos, caucho vulcanizado, materiales elastomeritos, etc. El cuadro, del ANEXO II, presenta una visión global de las durezas Shore. En cambio, la Norma ISO 868, “especifica un método para la determinación de la dureza de penetración de plásticos y ebonita4 mediante dos tipos de durómetro: el durómetro tipo A, empleado para materiales más blandos y el durómetro tipo D, para materiales duros”5. Como estas dos últimas tipos de durezas, son los más utilizados, nos limitaremos al estudio de la presente norma. 5.3.1 Principio de Ensayo La Norma ISO 868 señala que: “se aplica un penetrador específico al material de ensayo bajo condiciones especificadas y se mide la profundidad de penetración. La dureza de penetración es inversamente proporcional a la penetración y depende del módulo de elasticidad y de las propiedades viscoelásticas del material. La forma del penetrador, la fuerza aplicada sobre él y la duración de su aplicación influyen sobre los resultados obtenidos, de tal manera que no pueda haber una relación simple entre los resultados obtenidos con un tipo de durómetro y los obtenidos con otro tipo de durómetro o con otro instrumento para medir la dureza”6. 5.3.2. Aparatos Los durómetros Shore tipo A, como del tipo D, constan de los siguientes componentes:

• Pie de apoyo, con un orificio 3 mm± 0,5 mm de diámetro, centrado, como mínimo, a 6 mm de los bordes del pie.

4 Material compuesto de goma elástica azufre y aceite de linaza, negro, muy duro y de uso industrial, especialmente como aislante eléctrico. 5 Plásticos y ebonita. Determinación de la dureza de indentación por medio de un durómetro (dureza Shore) (ISO 868:2003): 6. 6 Ibid: página 6.


• Penetrador, formado por una barra de acero endurecido de 1,25 mm± 0,15 mm de diámetro, de forma y dimensiones mostradas en la figura 5.4, para durómetros tipo A, y en la figura 5.5, para durómetros tipo D.

• Dispositivo indicador, permite leer el valor del alcance de la penetración de la punta del penetrador más allá de la carga de pie de apoyo; esto puede leerse directamente en términos de unidades que van desde 0, para la penetración máxima de 2,5 mm± 0,04 mm, hasta 100, para una penetración cero obtenida poniendo el pie de apoyo y el penetrador en contacto firme con un trozo de vidrio plano.

• Muelle calibrado, la fuerza para aplicar sobre el penetrador, es de acuerdo a una

de las siguientes ecuaciones:


5.3.3. Probetas El espesor de la probeta debe ser, al menos, de 4 mm. Una probeta puede estar compuesta de capas más finas a fin de obtener el espesor necesario, pero las determinaciones realizadas sobre tales probetas puede que no concuerden con las realizadas en probetas de una sola pieza ya que las superficies entre las capas puede que no estén totalmente en contacto. Las dimensiones de la probeta deben ser suficientes para permitir realizar mediciones, de almeno, 9 mm de distancia de cada borde, a no ser que se sepa que se obtienen resultados idénticos cuando se realizan mediciones a una distancia inferior de un borde. La superficie de la probeta debe ser plana en una superficie suficiente que permita al pie de apoyo estar en contacto con la probeta en un área con radio de, al menos, 6 mm desde la punta del penetrador. Sobre superficies redondeadas, irregulares o rugosas, no pueden hacerse determinaciones satisfactorias de dureza con un durómetro. 5.3.4 Procedimiento operativo Se coloca la probeta en una superficie dura, horizontal y plana. Se mantiene el durómetro en una posición vertical con la punta del penetrador (5.3.2.2), como mínimo, a 9 mm de cualquiera de los bordes de la probeta. Se aplica el pie de apoyo (5.3.2.1) sobre la probeta tan rápidamente como sea posible, sin golpear, manteniendo el pie paralelo a la superficie de la probeta. Se aplica una presión suficiente para obtener un contacto firme entre en pie de apoyo y la probeta. Se lee la escala del dispositivo indicador (5.3.2.3) después de 15 s± 1 s. Si se especifica una lectura instantánea, se lee el valor de escala dentro de 1 s después del contacto firme del pie de apoyo con la probeta, a no ser que el durómetro tenga un indicador máximo, en cuyo caso se debe tomar la lectura máxima. Se realizan 5 mediciones de dureza a diferentes posiciones de la probeta, como mínimo, a 6 mm, y se determina el valor medio. 5.3.5 Informe del ensayo La Norma ISO 868, indica que el informe del ensayo debe incluir la siguiente información:

a) una referencia de esta norma internacional; b) todos los detalles necesarios para la identificación completa del material ensayado; c) una descripción de la probeta, incluyendo su espesor y, en el caso de probetas

compuestas, el número de capas; d) la temperatura de ensayo, y la humedad relativa, cuando la dureza del material

depende de la humedad; e) el tipo de durómetro empleado (A o D); f) si se conoce y si se requiere, el tiempo transcurrido entre la preparación de la

probeta y la medición de la dureza;


Fig.5.7

g) los valores individuales de la dureza de penetración y el intervalo de tiempo después del cual se tomó la lectura; NOTA - Las lecturas pueden registrarse en forma de dureza Shore

A/15:45, donde A es el tipo de durómetro, 15 es el tiempo, en segundos, entre que el pie de apoyo entra en contacto firme con la probeta y 45 es la lectura obtenida.

h) el valor medio de la dureza de penetración; i) los detalles de cualquier operación no especificada

en esta norma internacional, así como detalles de cualquier incidente que pudiera influir en los resultados.

5.4. Ensayos de Dureza Leeb y Shore Dependiendo del tipo de ensayo a realizar: 5.4.1.1 Ensayo Leeb

• EQUIPO: durómetro portátil Equotip Procep SA (Fig. 5.6). • Materiales:

Piezas de masa considerable y piezas de maquinarias, en diferentes direcciones y conversiones.

5.4.1.2 Ensayo Shore

• Durómetro Shore, marca Rex tipo A y tipo D (Fig. 5.7).

• Materiales: - Diferentes tipos de cauchos. - Plásticos blandos. - Cuero.

Fig. 5.6


5.5 BIBLIOGRAFÍA • ASTM A956-02 Standard Test Method for Leeb Hardness Testing of Steel

Products. • Plásticos y ebonita. Determinación de la dureza de indentación por medio de un

durómetro (dureza Shore) (ISO 868:2003): 6. • GÓMEZ, Sergio Gónzalez. Control de calidad en fabricación mecánica. Ediciones

Ceysa. Barcelona. 2007. • Información de Máquinas-Herramientas, Equipos y Accesorios. N° 288: Ediciones

Técnicas Izaro. S.A. Bilbao: Abril 2003. • SCHAFFER, James P. Ciencia y diseño de ingeniería de los materiales. Compañía

Editorial Cintinental. México. 2000. • CALLISTER, William D. Jr., Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los

materiales. Editorial Reverté, S.A. Barcelona: 2000. • www.frrg.utn.edu.ar/cienciadpdf • www.elprisma.com • www.acerosarequipa.com/ingm0302.asp • www.dagasl.es • www.abq-instrumentos.com • www.proceq-usa.com/es/products/equostat.php • www.kansert.es • www.instron.com • http://www.metrotec.es/metrotec/WWW_DOC/1558_1559_ROCKWELL_PORT-

1-CAT-E-R1.PDF


ANEXO I


ANEXOS II


Anexo III

Ensayo de Tracción 42

LABORATORIO Nº 6 ENSAYO DE TRACCIÓN

PARA MATERIALES METÁLICOS

OBJETIVOS

• Analizar los diagramas esfuerzo-deformación para los diferentes materiales. • Conceptualizar la terminología apropiada utilizada en la norma E 8 M - 08. • Realizar ensayos de tracción en materiales diferentes, determinando sus características. • Analizar el significado de los resultados y comprender el comportamiento de los materiales.

El ensayo de tracción en ingeniería es ampliamente utilizado, pues suministra información sobre la resistencia de los materiales utilizados en el diseño y también para verificación de especificaciones de aceptación. “El conocimiento de las propiedades de los materiales utilizados en ingeniería es un aspecto fundamental para el diseñador en su propósito de desarrollar las mejores soluciones a las diversas situaciones que se presentan en su cotidiano quehacer”1. 6.1 INTRODUCCIÓN TEÓRICA Cuando se habla de una prueba de tracción usualmente nos referimos a un ensayo que se realiza en una máquina que permite medir la deformación y la fuerza aplicada a una probeta fabricada con el material que se desea ensayar. Si la prueba se realiza correctamente, permite conocer las propiedades mecánicas fundamentales del material las cuales son de vital importancia en el diseño. “Utilizando sistema estandarizados de ensayo, la prueba se puede convertir en un criterio de aceptación o rechazo de un producto después de establecer si el material posee determinadas propiedades mecánicas y tendrá un buen comportamiento durante el tiempo de servicio. Existen muchos ensayos en los que la prueba se realiza directamente en la pieza determinada para poder reproducir exactamente las condiciones de carga reales del elemento”2. 6.1.1. Propiedades mecánicas de los materiales “Para que las máquinas y estructuras funcionen apropiadamente, su diseño requiere que entendamos el comportamiento mecánico de los materiales usados. Por lo general, la única manera de establecer el comportamiento de los materiales cuando están sometidos a cargas, es llevar a cabo experimentos en el laboratorio. El procedimiento usual es colocar pequeñas probetas del material en máquinas de prueba, aplicar las cargas y medir las deformaciones resultantes (como cambios de longitud y diámetro). La mayoría de los laboratorios de pruebas de materiales están equipados con máquinas capaces de cargar las probetas de diversas maneras, incluyendo las cargas estáticas y dinámicas tanto en tensión como en compresión”3.

1 http://www.ensayodetraccion.8m.com/ [consulta 14 de Agosto de 2008]. 2 http://mecanica.uniandes.edu.co/upload/files/archivos_path_192_doc [consulta 14 de Agosto de 2008]. 3 GERE, James M. Mecánica de Materiales. Quinta edición (México: Thomson Laerning 2002): 10-11.


Fig. 6.2

Zona de Fractura

extensímetro

Fig. 6.1

Mordazas

La (fig. 6.1) se muestra una máquina de prueba a tensión típica. La probeta de prueba se instala entre las dos mordazas de la máquina y luego se carga en tensión. Los dispositivos de medición registran las deformaciones y los sistemas de control automático y de procesamiento de datos, tabulan y grafican los resultados. En la (fig. 6.2) se muestra una vista más detallada de una probeta para prueba de tensión. En una probeta bien diseñada, la falla ocurrirá en la porción prismática, donde la distribución del esfuerzo es uniforme y la barra está sometida sólo a tensión pura. Los extremos no producirían la información deseada acerca del material, porque la

distribución del esfuerzo cerca de las mordazas no es uniforme; el detalle de la figura 6.2 muestra la probeta de acero. El dispositivo a la izquierda, está sujetando a la probeta, precisamente en las dos marcas de referencia, éste, es un extensimetro4, permite medir el alargamiento, dentro de la fase elástica, durante la aplicación de la carga y al mismo tiempo accede a encontrar el módulo de elasticidad de un material. Los extensimetros pueden ser de diferentes tipos: mecánicos, ópticos, eléctricos, etc. Con el fin de que los resultados de las pruebas sean fácilmente comparables, el tamaño de las probetas y los métodos de aplicación de las cargas se estandarizaron. Una de las principales organizaciones normativas es la American Society for Testing and Materials (ASTM) (Sociedad Americana de Pruebas y Materiales), sociedad técnica que publica especificaciones y normas para materiales y pruebas.

4 Viene de la palabra inglesa: strain gage.


Con el fin de que los resultados de las pruebas sean fácilmente comparables, el tamaño de las probetas y los métodos de aplicación de las cargas se estandarizaron. Una de las principales organizaciones normativas es la American Society for Testing and Materials (ASTM) (Sociedad Americana de Pruebas y Materiales), sociedad técnica que publica especificaciones y normas para materiales y pruebas. 6.1.1.1. Diagramas esfuerzo-deformación unitaria “Los resultados de las pruebas dependen en general del tamaño de la probeta ensayada. Como es poco probable que se diseñe una estructura con partes del mismo tamaño que las probetas de prueba, los resultados de las pruebas se deben expresar en forma tal que puedan aplicarse a elementos de cualquier tamaño. Una manera simple de alcanzar este objetivo es convertir los resultados de las pruebas en esfuerzos y deformaciones unitarias”5. El esfuerzo axial σ en una probeta de prueba se calcula dividiendo carga axial P entre el área A de la sección transversal (σ =P/A). Cuando se usa el área inicial de la probeta en los cálculos, el esfuerzo se llama esfuerzo nominal (otros nombres son esfuerzo convencional y esfuerzo ingenieril). Un valor más exacto del esfuerzo axial, llamado esfuerzo verdadero, puede calcularse usando el área real de la barra en la sección transversal donde ocurre la falla. Como el área real en una prueba de tensión es siempre menor que el área inicial (fig. 6.2), el esfuerzo verdadero es mayor que el esfuerzo nominal. La deformación unitaria axial promedio ε en la probeta de prueba se encuentra dividiendo el alargamiento medidoδ entre las marcas de calibración, de la longitud calibrada L (ε=δ/L). Si se usa la longitud calibrada inicial en los cálculos (por ejemplo 100 mm), se obtiene la deformación unitaria nominal. Puesto que la distancia entre las marcas de calibración crece conforme se aplica la carga, podemos calcular la deformación unitaria verdadera (o deformación unitaria natural) para cualquier valor de la carga usando la distancia real entre las marcas de calibración. En tensión, la deformación unitaria verdadera siempre es menor que la deformación unitaria nominal. El material que primero analizaremos, es una varilla con resalte de acero de baja aleación (0.30% de carbono) laminada en caliente, utilizada principalmente en hormigón armado para construcciones de diseño sismoresistente y en aplicaciones especiales. La (fig. 6.3) se muestra el diagrama esfuerzo-deformación unitaria de este material. El alargamiento es trazado sobre el eje horizontal y la carga sobre el eje vertical. El diagrama comienza con una línea recta que va del origen O al punto A , lo que significa que la relación entre el esfuerzo y la deformación unitaria en esta región inicial no es sólo lineal sino también proporcional6. Más allá del punto A, la proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación unitaria ya no existe; por esto, el esfuerzo en A se llama límite proporcional. Para aceros al bajo carbono este límite varía de 210 a 350 MPa, pero los aceros de alta resistencia (con mayor contenido 5 GERE, James M; TIMOSHENKO, Stephen P. Mecánica de Materiales. Quinta edición (México: Thomson Laerning 2002): 13. 6 Se dice que dos variables son proporcionales si su razón permanece constante; por tanto, una relación proporcional puede representarse por una línea recta que pase por el origen. Sin embargo, una relación proporcional no es lo mismo que una relación lineal. Si bien una relación proporcional es lineal, la proposición inversa no es necesariamente cierta, porque una relación representada por una línea recta que no pasa por el origen es lineal pero no proporcional. La frecuente expresión «directamente proporcional» es sinónimo de «proporcional».


de carbono que otras aleaciones) pueden tener límites proporcionales de más de 550 MPa. La pendiente de la línea recta de O a A se llama módulo de elasticidad. Como la pendiente tienen unidades de esfuerzo, divididas entre deformación unitaria, el módulo de elasticidad posee las mismas unidades que el esfuerzo.

Con un incremento en el esfuerzo más allá del límite proporcional, la deformación unitaria comienza a crecer con más rapidez para cada incremento del esfuerzo; en consecuencia, la curva esfuerzo-deformación unitaria tiene una pendiente cada vez menor (fig. 6.3). Comenzando en el punto B, ocurre un considerable alargamiento de la probeta de prueba sin una variación perceptible en la fuerza de tensión (de B a C). Este fenómeno se conoce como fluencia de material y el punto B se llama punto de fluencia. El esfuerzo correspondiente se conoce como esfuerzo de fluencia del acero. En la región de B a C, el material se vuelve perfectamente plástico, lo que significa que se deforma con poco incremento de la carga aplicada. En términos habituales, el alargamiento de una probeta de acero dulce en la región perfectamente plástica es de 10 a 15 veces el alargamiento que ocurre en la región lineal (entre el principio de la carga y el límite proporcional). Después de experimentar las grandes deformaciones unitarias que ocurren durante la fluencia en la zona BC, el acero empieza a endurecerse por deformación. Durante el endurecimiento por deformación, el material experimenta cambios en su estructura cristalina, lo que conduce a una resistencia mayor del material a deformaciones adicionales. El alargamiento de la probeta de prueba en esta región requiere un incremento de la carga de tensión por lo que el diagrama de esfuerzo-deformación unitaria tiene una pendiente positiva de C a D. La carga termina por alcanzar su valor máximo y el esfuerzo correspondiente (punto D) se llama esfuerzo último. Un alargamiento

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Fig.6.6

menos dúctil pero más resistente (mayor esfuerzo de fluencia y mayor esfuerzo último). Las propiedades físicas del acero también son afectadas por el tratamiento térmico, la presencia de otros metales y procesos de fabricación como el laminado. Otros materiales que se comportan de manera muy dúctil (en ciertas condiciones) son aluminio, cobre, magnesio, plomo, molibdeno, níquel, latón bronce, metal monel, nylon y teflón. Aunque pueden tener considerable ductilidad, las aleaciones de aluminio no poseen un punto de fluencia claramente definido -como se ve en el diagrama esfuerzo-deformación unitaria de la (fig. 6.5)-; pero tienen una región lineal inicial con un límite proporcional reconocible. Las aleaciones

fabricadas con fines estructurales tienen sus límites proporcionales en el intervalo de 70 a 410 Mpa. Y sus esfuerzos últimos en el intervalo de 140 a 550 MPa. Cuando un material como el aluminio no tiene un punto de fluencia obvio y sufre grande

deformaciones unitarias después de excedido el límite proporcional, puede determinarse un esfuerzo de fluencia arbitrario por el método del corrimiento. Se traza una línea recta, sobre el diagrama esfuerzo-deformación unitaria, paralela a la parte lineal inicial de la curva (fig. 6.6), pero desplaza cierta deformación unitaria estándar, como 0.002 (o 0.2%). La intersección de la línea desplazada y la curva esfuerzo-deformación unitaria (punto A en la figura), define el esfuerzo de fluencia. Como este esfuerzo está determinado por una regla arbitraria y no es una propiedad física inherente del material, debe distinguirse de un esfuerzo verdadero de fluencia

denominándolo como a un esfuerzo de fluencia desplazado. Para un material como el aluminio, el esfuerzo de fluencia desplazado está ligeramente por encima del límite proporcional. En el caso del acero estructural, con su abrupta transición de la región lineal a la región de estiramiento plástico, el esfuerzo desplazado es esencialmente el mismo que el esfuerzo de fluencia y el límite proporcional. El hule mantiene una relación lineal entre el esfuerzo y la deformación unitaria, hasta valores relativamente grandes (en comparación con los metales) de esta última. Su deformación unitaria en el límite proporcional puede ser tan alta como 0.1 o 0.2 (10 o 20%). Más allá del límite proporcional, el comportamiento depende del tipo de hule (fig. 6.7). Algunos tipos de hule blando se estiran enormemente sin fallar y alcanzan longitudes iguales a varias veces sus longitudes originales. El material termina ofreciendo un resistencia creciente a la carga y la curva esfuerzo-deformación unitaria se desvía claramente hacia arriba. Este comportamiento característico puede percibirse con facilidad estirando una banda de hule con las manos (Nótese que aunque exhibe deformaciones

Fig. 6.7


unitarias muy grandes, no es un material dúctil porque sus deformaciones no son permanentes. Se trata, por supuesto, de un material elástico). La ductilidad de un material en tensión puede caracterizarse por su alargamiento y reducción de su área transversal donde ocurre la fractura. El porcentaje de alargamiento se define como sigue:

100

En donde L0 es la longitud calibrada original y L1 es la distancia entre las marcas de calibración en la fractura. Puesto que el alargamiento no es uniforme sobre la longitud de la probeta sino que se concentra en la región de la estricción, el porcentaje de alargamiento depende de la longitud calibrada. Por esto, cuando se establece el porcentaje de alargamiento, siempre debe indicarse la longitud calibrada. Para una longitud calibrada de 100 mm, el acero puede tener un alargamiento de 3 a 40%, dependiendo de su composición; en el caso del acero estructural, son comunes los valores de 20 o 30%. El alargamiento de las aleaciones de aluminio varía de 1 a 45%, según la composición y el tratamiento. El porcentaje de reducción del área mide la cantidad de estricción que se presenta y se define como sigue:

En donde A0 es el área transversal original y A1 es el área final en la sección de la fractura. Para aceros dúctiles, esta reducción es aproximadamente de 50%. Los materiales que fallan en tensión a valores relativamente bajos de la deformación unitaria se clasifican como frágiles. Algunos ejemplos son concreto, piedra, hierro fundido, vidrio, cerámicas y diversas aleaciones metálicas. Los materiales frágiles fallan con poco alargamiento después de que se ha excedido el límite proporcional (el esfuerzo en el punto A en la Fig. 6.8). La reducción de área es insignificante, por lo que el esfuerzo nominal de fractura (punto B) es el mismo que el esfuerzo último verdadero. Los aceros al alto carbono tienen esfuerzos de fluencia muy altos –más de 700 Mpa en algunos casos – pero su comportamiento es frágil y la fractura ocurre con alargamiento de sólo un bajo porcentaje. El vidrio ordinario es un material casi idealmente frágil porque no presenta ductilidad. La curva esfuerzo-deformación unitaria para el vidrio en tensión es casi una línea recta; su falla ocurre antes de que tenga lugar cualquier fluencia. El esfuerzo último es de aproximadamente 70 MPa para ciertos tipos de vidrios laminados, pero existen grandes variaciones, dependiendo del tipo de vidrio, el tamaño de la probeta y la presencia de defectos microscópicos.

0

10

AAA

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Fig. 6.8


Las fibras de vidrio pueden desarrollar enormes resistencias y se han alcanzado esfuerzos últimos de más de 7 GPa. Muchos tipos de plásticos se usan con fines estructurales debido a su bajo peso, resistencia a la corrosión y buenas propiedades aislantes eléctricas. Sus propiedades mecánicas varían de manera considerable; algunos son frágiles y otros son dúctiles. Al diseñar con plásticos es importante tener en cuenta que los cambios de temperatura y el paso de tiempo afectan sus propiedades en forma muy notoria. Los esfuerzos últimos de tensión para plásticos suelen quedar entre 14 y 350 MPa y los pesos específicos varían entre 8 y 14 kN/m3. Un tipo de nylon tiene un esfuerzo último de 80MPa y pesa sólo 11kN/m3, que es sólo 12% más pesado que el agua. Debido a su ligereza, la razón resistencia-peso para el nylon es aproximadamente igual que para el acero estructural. Un material reforzado con filamentos consta de un material base (o matriz) en que están incrustados filamentos o fibras de alta resistencia. El material compuesto resultante tiene una resistencia mucho mayor que la del material base. 6.2 ENSAYO DE TRACCIÓN En este ensayo se pretende romper, en un período relativamente corto a una velocidad constante, una muestra de material a ensayar. Una prueba de tracción puede ser: estática, cuando la carga se aplica despacio, o dinámica, cuando la carga se aplica rápidamente y a veces de manera cíclica. 6.2.1 Principio de ensayo “Este método cubre la prueba de tracción de materiales metálicos de cualquier forma a temperatura ambiente, especialmente, el método para la determinación del esfuerzo del límite de proporcionalidad, la elongación en fase de elasticidad, el esfuerzo, elongación, y la reducción de área”7 (estricción). 6.2.3 Muestra de ensayo La forma y dimensiones de las muestras de ensayo dependen de la forma y dimensiones del producto metálico a partir del cual se toman las muestras de ensayo. La muestra de ensayo se obtiene normalmente mecanizando una muestra del producto o un laminado impreso o molde. Sin embargo, los productos de sección transversal constante (secciones, barras, cables, etc.) y también las muestras de ensayo moldeadas (es decir, para fundiciones de hierro y aleaciones no ferrosas) pueden someterse a ensayo sin haber sido mecanizados. La sección transversal de las muestras de ensayo puede ser circular, cuadrada, anular (tubular) o, en casos especiales, de alguna otra forma. 6.2.4.1 Muestras de ensayo mecanizadas. Las muestras de ensayo mecanizadas deben incorporar una curva de transición entre los topes de agarre y la longitud paralela si aquellos poseen diferentes

7 E 8M -08 Standard Test Methods for. Tension Testing of Metallic Materials [Metric]: 1.


medidas. Las medidas de este radio de transición pueden ser importantes y se recomienda que se definan en la especificación del material (fig. 6.9).

Fig. 6.9 Probetas rectangulares8

Nota 1: Para la probeta de 40-mm de ancho, las marcas para medir el alargamiento después de la fractura se efectuarán en el borde de la probeta y dentro de la sección reducida, o bien en un conjunto de nueve o más marcas cada 25 mm de separación, también puede utilizarse uno o más pares de marcas a 200 mm de separación. Nota 2: Cuando las mediciones de alargamiento no son requeridas en las probetas de 40 mm de ancho. Puede utilizarse una longitud mínima de la sección reducida (A) de 75 mm, conservando todas las otras dimensiones indicadas en la fig. 6.9. Nota 3: Para los tres tipos de probetas, los extremos de la sección reducida no podrán diferir en el ancho más de 0.10, 0.05 o 0.02 mm, respectivamente. Además se permite una disminución gradual del ancho desde los extremos al centro, pero esta variación en los extremos no deberá exceder más de 1% al ancho del centro. Nota 4: Para los tres tipos de probetas, los anchos W y C pueden ser más reducidos. En este caso, el ancho de la reducción de la sección debe ser tan grande como el ancho del material (siempre que las especificaciones para el ensayo del material lo permitan). Sin embargo a menos que se indique específicamente, las necesidades de alargamiento, estas no se consideren cuando se utilizan probeta de ancho reducido. Nota 5: La dimensión T es el espesor de la probeta de análisis. Las probetas de 40 mm de ancho deben tener un espesor mínimo de 5 mm. El espesor máximo en la probeta de 12.5 mm y 6 mm de ancho será de 19 mm y 6 mm respectivamente. Nota 6: En las probetas de 40 mm de ancho, se permite un radio mínimo de 13 mm en los extremos de la sección reducida cuando el material tiene una resistencia a la tracción inferior a los 690 MPa y se utiliza una cortadora de perfil. Nota 7: La dimensión mostrada es sugerida como mínima. A la hora de determinar la longitud mínima, las zonas de transición entre la sección reducida y la sección de agarre no deben extenderse hasta las dimensiones A y B, ver la nota 9. Nota 8: Para la obtención de la fuerza axial durante el ensayo en probeta de 6 mm de ancho, la longitud total debe ser tan grande como el material se lo permita, hasta 200 mm. Nota 9: Es conveniente, que la sección de agarre tenga una longitud lo suficientemente grande como para permitir que la probeta sea sujetada por una longitud igual a dos tercios o más de las mordazas. Si el espesor en la probeta de 12.5 mm de ancho, es mayor a 10 mm, la longitud de las mordazas y la correspondiente longitud de la sección de agarre de la muestra debe ser necesaria para prevenir el resbalamiento en la sección de agarre. Nota 10: Para los tres tipos de probetas, los extremos de estas deben ser simétricos respecto al eje longitudinal con una tolerancia en la sección reducida de 2.5 mm, 0.25 mm y 0.13 mm respectivamente. Sin embargo cuando lo requiera la probeta de 12.5 de ancho en la sección reducida, las caras tendrán una simetría de 0.2 mm. Nota 11: Para cada tipo de muestra, los radios de todos los filetes serán entre sí dentro de un margen de tolerancia de 1.25 mm y los centros de curvatura de los dos filetes de un extremo situado en línea de simetría longitudinal con una tolerancia de 2.5 mm. Nota 12: Se permite muestras con lados paralelos a los largo de su longitud, con excepción de muestras para ensayo de peritaje, siempre que: (a) esté por encima de las tolerancias utilizadas; (b) que permita un número suficiente de marcas para determinar el alargamiento; y (c) cuando se determina el límite elástico con extensímetro. Si la fractura se produce a una distancia de menos 2W desde el borde de las mordazas, las propiedades de tracción determinadas pueden no ser representativas del material. Si el ensayo de conformidad, las propiedades cumplen los requisitos mínimos estipulados no se requiere confirmación, pero sí las propiedades están bajo lo requerido se debe desechar el ensayo y realizar otra.



En los materiales delgados de alta resistencia se puede utilizar probetas con agujeros en los extremos (Fig. 6.10). Para evitar el resbalamiento en la parte de sujeción. A veces puede ser necesario endurecer el material en las partes donde se hace el agujero para evitar su deformación.

Fig. 6.109 Probeta a tensión de agujero, con longitud de calibración inicial de 50 mm

Nota 1: En la sección reducida el ancho en sus extremos no deben deferir en más de 0.1 mm. Puede haber una reducción gradual en el ancho desde los extremos al centro de la probeta, pero la ancho en cada extremo no debe ser mayor al 1% en el centro. Nota 2: La dimensión T es el espesor de la probeta de análisis como se indica en las especificaciones de los productos. Nota 3: Para algunos materiales, un filete de radio R de más de 13 mm puede ser necesaria. Nota 4: Los agujeros deben estar en la línea de simetría longitudinal de la muestra con una tolerancia de ± 0.1 mm. Nota 5: Las variaciones de las dimensiones C, D, E, F, L ocasionará un error en la longitud calibrada. En la fig. 6.11 se muestra las probetas de tamaño corto, las cuales, son proporcionales a la probeta normal. Estas son utilizadas cuando las probetas normales de la fig. 6.9 no puedan usarse. En cualquier probeta de tamaño corto, es importante que la longitud nominal sea 5 veces mayor al diámetro.

Fig. 6.11 Probetas redondas cortas

Nota 1: La sección reducida puede tener una reducción gradual del diámetro desde los extremo al centro, esta variación en los extremos no debe superar el 1% del diámetro en el centro (control de dimensiones). Nota 2: Si lo desea la longitud de la sección reducida pueda aumentarse para dar cabida a un extensímetro de manera cómoda. Las marcas de referencia para la medición del alargamiento deben ser espaciados en función de la longitud calibrada.



Nota 3: La longitud calibrada y los filetes se los realizará como se indica en la figura, pero los extremos pueden tener cualquier forma para adaptarse a las características de la máquina de ensayos de tal manera que la carga aplicada sea axial (ver fig. 6.11). Si los extremos de las mordazas son tipo cuña, es deseable, en lo posible que la longitud de la sección de agarre sea igual a dos tercios o más de la longitud de las mordazas. Nota 4: En las tres muestras cilíndricas fig. 6.11 y 6.12, la longitud calibrada es igual a cinco veces el diámetro nominal. Este valor cambiará solo si alguna especificación del material lo indica, pero por lo general la relación 5 a1 se mantiene dentro de las tolerancias dimensionales, los valores de alargamiento pueden no ser comparables con los obtenidos en una muestra. Nota 5: El uso de especímenes de menos de 6 mm de diámetro, se limitará a los casos en que el que le material de del ensayo es de tamaño insuficiente para obtener los especímenes más grandes o cuando todas las partes aceptan la utilización de esta muestra para los ensayos de peritaje. Especímenes más pequeños requieren de un equipo adecuado y una mayor habilidad tanto en el mecanizado y el ensayo.

Fig. 6.12 Varios formas de sujeción o agarre de probetas redondas par el ensayo de tracción

Nota 1: La sección reducida puede tener una reducción gradual del diámetro desde los extremos al centro, esta variación en los extremos no deben superar el 1% del diámetro en el centro. Nota 2: En las probetas 1 y 2 cualquier tamaño de rosca es permitido, siempre y cuando permita una adecuada alineación y asegure que la probeta se rompa dentro de la sección reducida. Nota 3: En la probeta 5 es conveniente, en lo posible hacer que la longitud de la sección de agarre sea lo suficiente grande para permitir que la probeta sea sujetada por una distancia igual a más de dos tercios de la longitud de las mordazas.


Fig. 6.13 Probeta de prueba de tensión normal para hierro colado

Nota1: La sección reducida y las aristas (dimensiones A, D, E, F, G, y R) serán como se muestra, pero los extremos pueden ser de cualquier forma para adaptarse a las mordazas de la máquina de ensayo de tal manera que la fuerza sea axial. Comúnmente son los extremos roscados y tengan las dimensiones B y C, como es indicado en la figura 6.13. 6.2.4.2 Muestras de ensayo no mecanizadas. En los casos que la probeta esté constituida por un trozo del producto o una barra de ensayo sin mecanizar, la longitud libre entre mordazas debe ser la necesaria para permitir que los puntos de referencia estén lo suficientemente alejados de las mordazas (fig. 6.14).

Fig. 6.14

6.2.4.3 Muestra de ensayo a utilizar para tubos. La muestra de ensayo consiste o bien en un trozo de tubo en una banda longitudinal o transversal cortada del tubo y con el grosor total de la pared del tubo, o bien en una muestra de ensayo de sección transversal circular mecanizada de la pared del tubo (fig. 6.15).


Fig. 6.15

6.2.5 Condición de ensayo Las muestras de ensayo deben sujetarse mediante instrumentos adecuados, tales como cuñas, fijaciones atornilladas, mordazas paralelas, etc. Debe ponerse todo el empeño en asegurar que las muestras de ensayo estén sujetas de manera tal que la tensión se aplique tan axialmente como sea posible, con el objeto de minimizar el plegado. Esto es de particular importancia cuando se ensaya en materiales frágiles o cuando se determina la resistencia de prueba (extensión no proporcional) o resistencia de prueba (extensión total) o resistencia dúctil. 6.2.6 Informe de ensayo El informe del ensayo debe contener al menos la siguiente información: - Referencia a esta norma: E 8 M - 04 ; - identificación de la muestra de ensayo; - material especificado, si se conoce; - tipo de muestra de ensayo; - situación y dirección del lugar de utilización de las muestras de ensayo, si se conoce; - resultados del ensayo. 6.3 PRÁCTICA DE TRACCIÓN Al realizar el ensayo de tracción, hay que tomar en cuenta los siguientes factores: 6.3.1 Máquinas de ensayo El Laboratorio de Ensayo de Materiales, dispone de una máquina universal, lleva un comando hidráulico y es controlada por ordenador (fig. 6.1); marca METRO COM de una capacidad de 200 kN.


Figura 6.16

Partes de la máquina:

1. Mesa 2. Cuerpo mordaza móvil 3. Columnas principales 4. Base máquina 5. Cilindro hidráulico de doble efecto

6. Mordaza fija 7. Grupo hidráulico 8. Válvula de carga 9. Válvula de regulación velocidad

6.3.2 Instrumentos:

Además de la máquina universal de ensayo, hace falta disponer de los siguientes instrumentos: • Cinta métrica • Calibrador • Termómetro


6.3.3 Materiales:

El ensayo de tracción se realizará en los siguientes materiales: • Varilla con resalte de acero de baja aleación laminada en caliente de Ø 1/2”, longitud 250

mm. • Varilla lizas. • Bronce laminado. • Polímeros.

6.3.4 Procedimiento

Para realizar el ensayo de tracción, en la Máquina de ensayo Universal, se procede de la siguiente forma: • seleccionar el sistema de sujeción; • colocar la probeta entre las mordazas; • aplicar la precarga; • medir la longitud entre las mordazas; • alimentar los datos solicitados por el software; • aplicar la carga atreves de las válvulas 8 y 9; • una vez producida la rotura de la probeta (si es circular), medir el diámetro en la zona de

estricción; • luego retirar la probeta e interpretar los resultados.

6.4 Análisis de Resultados En relación a la práctica con las varilla con resalte de acero de baja aleación laminada en caliente y la varillas liza, comprobar los resultados de las mismas con la norma de: fabricación de las varillas (NTE 0102:2003) ver Anexo II. 6.5 BIBLIOGRAFÍA

• Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials [Metric]. E 8M-08. • Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Stell Products. A 370-08a. • Standard Test Methods for Tensile Properties o Plastics (Metric) ASTM D638M-96. • Varillas con resaltes de acero de baja aleación, soldables, laminadas en caliente y/o

termotratadas, para hormigón armado. NTE INEN 2 167:2003. • Materiales metálicos. Ensayos de tracción. Parte 1: Método de ensayo a temperatura

ambiente: EN 10002-1, julio 2002). • GERE, James M. Mecánica de Materiales. (Quinta edición). México: Thomson Learning

2002. • BEER, Ferdinand P; JOHNSTON, Russell; DEWOVF John. Mecánica de Materiales.

(Cuarta edición). China: McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V., 2007. • GÓMEZ, Sergio Gónzalez. Control de calidad en fabricación mecánica. Ediciones Ceysa.

Barcelona. 2007.


• SCHAFFER. James P. Ciencia y diseño de ingeniería de los materiales. Compañía Editorial Cintinental. México. 2000.

• ROY, R,; CRAIG, Jr. Mecánica de Materiales. Tercera reimpresión. Grupo Editorial PatriaS.A. De C.V., 2007.

• Catálogo de aceros, herramientas de corte y soldadura. IVAN BOHMAN C.A. Guayaquil. • http://www.mecanica.uniandes.edu.co/upload/files/archivos_path_192_doc • http://www.u-cursos.cl/ingenieria/2007/1/ME42A/material_docente/objeto/123388-doc • http://dimec.usach.cl/images/guias/79/E981Ensayo_de_traccion.doc • http://fing.uncu.edu.ar/catedra/industrial/materiales/archivos/cmateriales/TPTraccion.pdf • http://mecanica.uniandes.edu.co/upload/files/archivos_path_192_doc • www.webpages.ull.es/users/mhdezn/nautical/traccion.pdf • www.frrg.utn.edu.ar/cienciadpdf • www.elprisma.com • www.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materiales4.htm • http://www.ensayodetraccion.8m.com/ • www.extrucol.comnormas.htm • www.filemon.mecanica.upm.es • www.materiales.eia.edu.co/laboratorios/traccion.htm • www.adelcaecuador.com • www.andecsa.com


ANEXO I

El módulo de tenacidad del material, “es igual al área situada bajo el diagrama esfuerzo-deformación total (Fig. 6.13) y representa la energía por unidad de volumen requerida para causar la ruptura. Es claro que la tenacidad del material se relaciona con la ductilidad y con la resistencia última, y que la capacidad de una estructura para resistir un impacto depende de la tenacidad del material usado… El módulo de resiliencia es igual al área situada bajo la porción recta OY del diagrama de esfuerzo-deformación (Fig. 6.14) y representa la energía por unidad de volumen que el material puede absorber sin fluir. La capacidad de una estructura para soportar una carga de impacto sin deformarse en forma permanente, depende claramente de la resiliencia del material utilizado. Como el módulo de tenacidad y el de resiliencia representan valores característicos de la densidad de energía de deformación del material considerado, ambos se expresan en J/m3, si se usan unidades SI, o in.•lb/in.3 en unidades americanas”10.

10 BEER, Ferdinand; JOHNSTON, Russell; DEWOVF John. Mecánica de Materiales. Cuarta edición. (China: McGraw-Hill Interamericana 2007): 673-674.

Fig. 6.13

Fig. 6.14


ANEXO II

“Propiedades de tracción controladas: esta norma mediante el empleo de los limites de las propiedades mecánicas del material, suministra las propiedades de fluencia/tracción necesarias en las aplicaciones que exigen propiedades de tracción controladas.”11

TABLA 2. ESPECIFICACIONES MECÁNICAS

Limite de fluencia, mínimo daN/mm2 (kgf/mm2) 41.2 (472) Limite de fluencia, máximo daN/mm2 (kgf/mm2) 53.9 (55) Resistencia a la tracción, mínima daN/mm2 (kgf/mm2) 54.9 (56) Alargamiento (%) mínimo con probeta Lo = 200mm Diámetro Nominal (mm) % 8.20 14 22.36 12 40 10

NOTA: la resistencia la tracción debe ser mayor o igual a 1.25 veces elpunto de fluencia

11 Varillas con resaltes de acero de baja aleación, soldables laminadas en caliente y/o termotratadas, para hormigón armado. NTE INEN 2 167:2003.

Ensayo de compresión 60

Fig. 7.1

LABORATORIO Nº 7 ENSAYO DE COMPRESIÓN

OBJETIVOS

• Conceptualizar la terminología apropiada según las normas ASTM E 9-89, ASTM D143-94, ASTM C39/C39M-05 y NTE INEN 135.

• Analizar los diagramas esfuerzo-deformación para los diferentes materiales. • Realizar ensayos de compresión en materiales diferentes, determinando o verificando sus

características.

“Este ensayo estudia el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de compresión, progresivamente creciente, con una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura o aplastamiento, según la clase de material. Se suele utilizar en materiales frágiles (hierro fundido, piedras y hormigón) y en todos aquellos materiales que se van a utilizar bajo este tipo de esfuerzo”1. 7.1 INTRODUCCIÓN TEÓRICA Durante un ensayo de compresión, “un metal dúctil como el acero o el aluminio tiene una magnitud de esfuerzo aproximadamente igual a su esfuerzo de fluencia en tensión, y el módulo de elasticidad en compresión es igual a ese módulo en tensión. En consecuencia, casi nunca se hacen pruebas de compresión en estos materiales. En contraste, se requiere colar y probar en forma periódica especimenes de concreto en compresión”2, en el control de calidad de proyectos de construcción en las que se emplea concreto reforzado.

1 GÓMEZ González, Sergio. Control de Calidad en fabricación Mecánica. Segunda edición. (Barcelona: Ediciones Ceysa, 2007): 78. 2 CRAIG, Roy R. Mecánica de Materiales. Tercera reimpresión. (México: Grupo Editorial Patria S.A. DE C.V., 2007): 43.


Fig. 7.2 Fig. 7.3

“Cuando un material típicamente dúctil se somete a un ensayo de compresión (fig. 7.1), inicialmente muestra un comportamiento linealmente elástico gobernado por σ = E ε. Después de que ocurre la fluencia, el comportamiento esfuerzo-deformación es diferente del comportamiento observado en el ensayo de tensión (fig. 7.2). Aunque la pendiente del esfuerzo como una función de la deformación disminuye al comienzo a medida que el material comienza a fluir y la muestra adquiere la forma de un barril, aumenta de nuevo a medida que la muestra se va aplanando. Ciertos materiales, como el hierro fundido, el acero rico en carbono y la mampostería, que presentan relativamente poca deformación plástica antes de fracturarse, se denominan frágiles o quebradizos. En el ensayo de tensión el esfuerzo aumenta de manera consistente, hasta que el esfuerzo último produce la rotura. Una característica importante de los materiales frágiles es que el esfuerzo último en compresión tiene mayor magnitud que su esfuerzo último en tracción. Esto se ilustra en la figura 7.3, en la cual aparece el esfuerzo como una función de la deformación para un material típicamente frágil tanto la tensión como la compresión. A diferencia de los materiales dúctiles, los materiales quebradizos sujetos a una prueba de compresión sufren fracturas. De acuerdo con la clase de material, la muestra se puede aplastar o se puede fracturar a lo largo de un plano de máximo esfuerzo constante”3. 7.2 ENSAYO DE COMPRESIÓN Vamos analizar algunos comportamientos de materiales sometidos a compresión con sus respectivas normas. 7.2.1 Ensayo de compresión para materiales metálicos La norma ASTM E 9 – 89a4 describe: método de ensayo, los accesorios, especímenes y el procedimiento para e de compresión con carga axial sobre materiales metálicos a temperatura ambiente.

3 BEDFORD Anthny; LIECHTI Kenneth. Mecánica de Materiales. (Bogotá: Pearson Educación de Colombia Ltda. 2002): 109-110. 4 Standard Test Methods of. Compresión Testing of Metallic Materials at Room. Temperaturare. E 9-89ª (Reapproved 2000).


7.2.1.1 Probetas Es recomendable que, cuando sea factible, las probetas de ensayo de compresión sean en forma de cilindros circulares macizos. La norma ASTM E 9 – 89a, aconseja para materiales metálicos tres tipos de probetas, que son reconocidas y designadas como: cortas, medianas y largas; las dimensiones se presentan en la tabla I.

TABLA I5

Se debe tomar en consideración, que cuando aumenta la altura, se presenta una tendencia a la flexión lateral de la probeta, con la consiguiente disminución aparente de la resistencia. A medida que la longitud disminuye, el efecto de la fricción con los platos de la máquina se vuelve más importante, dando como resultado un aumento aparente de la resistencia. Para el ensayo de compresión, hay que procurar colocar la probeta en el centro, para evitar un descentramiento de la carga y la aparición de la flexión. El estándar recomienda también usar probetas cortas, para minimizar este efecto. Para evitar la influencia negativa de la fricción, lo que conlleva a la aparición de esfuerzos biaxiales y a la conocida forma de “tonel” de la probeta, se deberían engrasar las caras de la probeta. Se utilizan las probetas cortas: para determinar la resistencia estática a la compresión, las medianas: para uso en general y las largas: para definir el módulo de elasticidad. 7.2.1.2 Curva tensión-deformación Todo cuanto se ha visto al tratar del ensayo a tracción, puede hacerse extensivo al de compresión, con sólo tener en cuenta que cambian de signo las cargas y deformaciones. 5 Standard Test Methods of. Compresión Testing of Metallic Materials at Room. Temperaturare. E 9-89ª (Reapproved 200): 5.


Fig 7.4

Fig. 7.5

Resistencia a la compresión

Se calcula la resistencia a la compresión, sólo para materiales frágiles.

0A

Prr =σ (1)

Donde: Pr = carga de rotura de la probeta; A0 = área inicial de la probeta.

Tensión al límite proporcional (Ver

Anexo I) El valor de la fuerza de proporcionalidad, es determinado por el punto donde comienza la divergencia (fig. 7.4) entre la curva de compresión y la continuación del segmento rectilíneo, es igual:

0A

Ppp =σ (2)

Donde: Pp = carga de proporcionalidad; A0 = área inicial de la probeta.

Tensión al límite de fluencia El límite de fluencia se determina en forma gráfica mediante el diagrama de compresión por el llamado corrimiento del 0,2%; el punto de intersección de la curva, se proyecta sobre la ordenada y va corresponder a la magnitud de la carga P0.2 que determina el límite de fluencia.

0

2.02.0 A

P=σ (3)

Donde: P0.2 = carga límite de fluencia; A0 = área inicial de la probeta.

Acortamiento porcentual También este valor, se determina en forma gráfica mediante el diagrama de compresión por el llamado corrimiento del 0,2%, se proyecta el punto de intersección de la curva sobre la abscisa, correspondiente a la deformación δ sufrida por la probeta.


Fig. 7.6

1000

% lδε = (4)

Donde: ε% = acortamiento porcentual; δ = acortamiento sufrida por la probeta, luego del ensayo; l0 = longitud inicial de la probeta.

Ensanchamiento transversal Viene dado, como en el ensayo de tracción, por la diferencia de las secciones, o sea:

%1000

0 •−

=A

AAZ uc (5)

Donde: Zc = ensanchamiento porcentual transversal; A0 = área inicial de la probeta; Au = área final de la probeta. 7.2.1.3 Máquina y accesorios La máquina para el ensayo de compresión estático, es la misma que se analizó para el ensayo de tracción. En efecto, la mesa transversal móvil en su ascensión ejerce una carga de tracción a la probeta, mientras que en el ensayo a compresión la probeta es comprimida entre la mesa móvil y el extremo del cilindro hidráulico (fig. 7.5). Accesorios La Norma ASTM E 9 – 89a específica el accesorio indicado en la figura 7.6, el mismo se compone de: a) El plato superior es formado por dos

elementos, el primer elemento lleva, en su parte superior, una forma de rótula (Spherical Seat) y sobre ella apoya el segundo elemento con una cara superior que se adapta a la rótula, y cuya cara inferior es la superficie de apoyo de la probeta a ensayar.

La articulación en forma de rótula de éste plato, tiene por objeto permitir un perfecto paralelismo entre las caras de ensayo, asegurando de esta forma un esfuerzo totalmente axial.

b) Plato inferior, va colocado en la mesa móvil de la máquina universal de ensayo, el cual encaja

en una cavidad que lleva la misma mesa.


7.2.1.4 Informe La norma indica que debe incluir la siguiente información: - el material de la probeta; - la configuración de la probeta, incluye el bosquejo de la configuración o referencia de la

muestra dibujada; - dimensiones de la probeta; - utillaje empleado en el ensayo y lubrificante colocado entre las caras de la probeta; - la máquina utilizada para el ensayo (marca, modelo, capacidad); - la velocidad de ensayo y la forma de control; - el diagrama: esfuerzo-deformaciones; - módulo de elasticidad; - esfuerzo de fluencia; - esfuerzo de compresión (en caso de rotura); - tipo de fisura o falla; - anomalías ocurridas durante el ensayo que pueda afectar los resultados.

7.2.2 Determinación de la Resistencia a la Compresión para la madera La ASTM tiene una norma única para todos los ensayos sobre la madera: “Standard Test Methods for Small Clear Specimenes of Timber”. Este ensayo de compresión sobre la madera, hay como llevarlo a cabo en dos formas:

• determinación de la resistencia a la compresión paralela al grano; • determinación de la resistencia a la compresión perpendicular al grano.

En el ítem 9 describe el ensayo de compresión sobre la madera paralela al grano, mientras que en el ítem 12 describe el ensayo de compresión perpendicular al grano. 7.2.2.1 Preparación de las probetas Las probetas empleadas en este ensayo consisten en prismas rectos de 3 cm x 3 cm hasta 5 cm x 5 cm de sección transversal y longitud de 2 a 4 veces el ancho. La fibra debe ser paralela a la longitud. Las medidas de las probetas deben verificarse en el momento del ensayo. Las probetas empleadas en este ensayo consisten en prismas rectos de 5 cm x 5 cm de sección transversal y 15 de longitud, cortada de tal manera que las caras longitudinales sean paralelas al grano, dos de sus caras opuestas tangenciales y las otras dos radiales. Las medidas se verifican al momento del ensayo. 7.2.2.2 Procedimiento La carga se aplica sobre las bases del prisma, esto es, sobre las caras transversales, en forma continua y durante, todo el ensayo para que produzca una deformación de 0,6 milímetros por minuto. Los valores para la curva de esfuerzo-deformación se toman aún después de la rotura de la probeta.


Posición de las roturas del ensayo. Para obtener resultados uniformes y satisfactorios, es necesario que las roturas se produzcan en el cuerpo de la probeta. Este resultado es más exacto en las probetas de sección transversal uniforme, cuando los extremos de dicha probeta tienen un contenido de humedad menor que el resto de la misma. Descripción de las roturas por compresión. Las roturas por compresión se describen de acuerdo con la apariencia de las mismas en la superficie en que aparezcan. En caso de presentarse dos o más roturas, se describen en el orden en que ocurrieron. En el informe, además de la gráfica y datos que reporta la máquina de ensayo, se debe dibujar la forma de la rotura. 7.2.2.3. Cálculos

• Compresión paralela al grano:

La resistencia máxima a la rotura por compresión axial se calcula aplicando la siguiente ecuación:

SPmáx == //σ (6)

Donde: σ c//máx = resistencia máxima a la rotura, en deca-Newtons por centímetro cuadrado;

P = carga máxima soportada por la probeta, en deca-Newtons;

S = superficie de la sección transversal de la probeta, calculada antes del ensayo, en

centímetros cuadrados.

S= a. a’ (7) Donde: a = ancho de la probeta en centímetros; a´ = ancho del prisma en centímetros.

La resistencia en el límite proporcional a la compresión axial se determina aplicando la siguiente ecuación:

SP

alproporcionlímitec 1// =σ (8)

Donde: σc// límite proporcional = resistencia en el límite proporcional, en daN por centímetro

cuadrado; P1 = carga soportada por la probeta en el límite proporcional, en newton; S = superficie de la sección transversal de la probeta, en centímetros cuadrados.

Luego del ensayo, se determina el punto P1, a través de la técnica del corregimiento del 0.2%, ya explicado anteriormente, correspondiente al límite proporcional. El Módulo de elasticidad se calcula aplicando la siguiente ecuación.

dSLPEc

..// 1= (9)


• Compresión perpendicular al grano:

La resistencia en el límite proporcional se calcula aplicando la siguiente ecuación:

SPc l⊥==σ (10)

Donde:

σ c⊥ = resistencia en el límite proporcional, en daN por centímetro cuadrado;

Pl = carga en el límite proporcional, en daN;

S = superficie impresa sobre la probeta por la pieza presión, en centímetros cuadrados. Esta superficie se calcula aplicando la ecuación (7).

La resistencia a una deformación del 1% del espesor de la probeta se calcula aplicando la siguiente ecuación

SPc =⊥= %1σ (11)

Donde:

σ c⊥ 1% = resistencia a una deformación del 1% en daN por centímetro cuadrado;

P = carga en el 1% de deformación, en daN;

S =superficie impresa sobre la probeta por la pieza presión, en centímetros cuadrados.


7.2.2.4. Informe

Según la norma Standard Test Methods for Small Clear Specimenes of Timbes, los resultados del ensayo se sintetizan en el formato siguiente.

Ensayo de compresión paralela al grano N. científico………………………….. Familia….…………………………… N. vulgar……………………………

No. de la Probeta

Observaciones: Fecha: Condición: verde/ seco al aire/ climatizado Anillos………………………………. /cm. Duramen…………………………………% Datos de contenido de humedad Peso de la probeta húmeda………………….g Peso de la probeta seca……………..……….g H…………………………………………….% Datos de la probeta Peso…………………………………………g Área……………………………………......cm2

Volumen…………………………………...cm3

Densidad de la probeta húmeda…………...g/cm3 Carga Máxima……..….………………..…daN Carga al limite prop……….……………....daN Deformación en el límite prop…….………cm

Resultados

Al % H Al 12% H Resistencia al límite proporcional daN/cm2 Resistencia máxima daN/cm2 Módulo de elasticidad daN/cm2

………………………………….......... ……………………………………….. ………………………………………..


Ensayo de compresión perpendicular al grano N. científico………………………….. Familia….…………………………… N. vulgar……………………………

No. de la Probeta

Observaciones: Fecha: Condición: verde/ seco al aire/ climatizado Anillos…………………………………….. /cm. Duramen…………………………………….% Datos de contenido de humedad Peso de la probeta húmeda…………………..g Peso de la probeta seca…………………..…..g H……………………………………………..% Datos de la probeta Peso……………………………………...…..g Área………………………………………...cm2

Volumen………………………………...….cm3

Densidad de la probeta húmeda………...….g/cm3 Carga al 1% de deformación………………daN Carga al limite prop………………………..daN

Resultados

Al % H Al 12% H

Resist. al lím. Prop. (σ c⊥ lim. Proa.)............ daN/cm2

Resist. al 1% de deformación (σ c⊥ 1%)….. daN/cm2

………………………………….......... ………………………………………..

7.2.3 Ensayo de compresión longitudinal para tubos de acero de sección circular La norma NTE INEN 0135:1975 “tiene por objeto establecer el método para el ensayo de compresión longitudinal en tubos de acero de sección circular”6. La norma define a la probeta de ensayo, como una porción de material debidamente preparada para un ensayo mecánico. 6 Norma Técnica Ecuatoriana NTE 0135:1975. Ensayo de compresión longitudinal para tubos de acero de sección circular.


7.2.3.1 Simbología Los Símbolos y las designaciones correspondientes a los números de las figuras anexas a esta norma son los indicados en la tabla II.

TABLA II. Símbolos y designaciones

Número Designación Símbolo Unidad 1 2 3 4 5

Diámetro exterior de la probeta Diámetro interior de la probeta Espesor de pared de la probeta Longitud de la probeta Distancia de ensayo

D d a L H

mm mm mm mm mm

El método de ensayo, consiste en comprimir axialmente, entre dos placas paralelas una probeta extraída del tubo en ensayo, hasta que la distancia entre las placas, medida bajo carga, alcance un valor “H” especificado.

7.2.3.2 Instrumental Para la realización de este ensayo, se utilizan dos placas de apoyo rígidas, con un ancho superior al diámetro exterior de la probeta a ser ensayada. Dispositivo de aplicación de la carga tiene que permitir aplicar un esfuerzo axial uniforme con velocidades menores que 25 mm por minuto. 7.2.3.3 Preparación de la probeta La probeta será un tubo cuya longitud “L” será igual a 1,5 veces el diámetro exterior del tubo. Las extremidades de la probeta estarán cortadas según un plano perpendicular al eje longitudinal del tubo.

Fig. 7.7


Los bordes de las extremidades de la probeta serán uniformizados a lima, para eliminar las rebabas y materias extrañas. No se deberá llegar al redondeo de los bordes. 7.2.3.4 Procedimiento El ensayo deberá ser realizado a la temperatura ambiente de 20± 10º C. Colocar la probeta entre las placas de apoyo, accionar el dispositivo de aplicación de la carga cuidando de mantener el paralelismo entre las placas de apoyo, así como entre el eje longitudinal de la probeta y la dirección de la carga de compresión. Durante el ensayo no deben producirse movimientos relativos entre las placas de apoyo y la probeta. 7.2.3.5 Informe de los resultados experimentales En el informe sobre el ensayo debe constar:

a) Datos para la identificación del material del que fue extraída la probeta. b) Características de las placas de apoyo. c) Distancia “H” obtenida. d) Indicaciones referentes al aspecto final de la probeta después de ensayo. e) Temperatura de ensayo. f) Velocidad del dispositivo de aplicación de la carga.

7.2.3 PRUEBA DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DEL CONCRETO La resistencia del concreto a la compresión es una propiedad física fundamental, y es frecuentemente empleada el los cálculos para diseño de puente, de edificios y otras estructuras. El concreto de uso generalizado tiene una resistencia a la compresión entre 210 y 350 kg/cm cuadrado. Un concreto de alta resistencia tiene una resistencia a la compresión de al menos 420 kg/cm2. 7.2.3.1 Alcance La norma de la ASTM 397, nos describe el método de ensayo para determinar la resistencia a compresión del concreto, tomando en cuenta que el espécimen debe tener una densidad superior de 50 lb/ft3 [800kg/m3]. 7.2.3.2 Principio del método de ensayo

Este método de ensayo consiste en aplicar una carga axial de compresión sobre una probeta cilíndrica, dentro de unos rangos establecidos, hasta los límites donde ocurre la rotura. La resistencia a la compresión se calcula a partir de la carga de ruptura dividida entre el área de la sección que resiste a la carga y se reporta en MPa.

7 Standard Test Method for. Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens. ASTM C 39/C 39M-05.


7.2.3.3 Máquina de ensayo

El máximo diámetro del soporte superior de la máquina no deberá exceder de los valores presentado en la tabla III.

TABLA III Diámetro de espécimen Máximo diámetro del plato

superior de la máquinas pulg. [mm] pulg. [mm]

2 [50] 4 [105] 3 [75] 5 [130] 4 [105] 6.5 [165] 6 [150] 10 [255] 8 [200] 11 [280]

El centro de la rotula (fig. 7.8) deberá coincidir con la superficie de la cara de apoyo dentro de una tolerancia de ± 5% del radio de la rotula. El radio de la rotula (r) deberá ser al menos 75% del diámetro del espécimen ensayado. La rotula y el asiento de ésta, deberán ser diseñados de tal forma que no se deformen mientras se realiza el ensayo. 7.2.3.4 Espécimen Los cilindros para prueba deben tener un tamaño de 6 x 12 pulgadas (150 x 300 mm) o 4 x 8 pulgadas (100 x 200 mm), cuando así se especifique. Las probetas más pequeñas tienden a ser más fáciles de elaborar y manipular en campo y en laboratorio. El diámetro del cilindro se debe medir en dos sitios en ángulo recto entre sí a media altura de la probeta y deben promediarse para calcular el área de la sección (fig. 7.9). Si los dos diámetros medidos difieren de 2%, no se debe someter a prueba el cilindro. Los extremos de las probetas no deben presentar desviación con respecto a la perpendicularidad del eje del cilindro en más 0.5% y los extremos deben hallarse planos dentro del margen de 0.002 pulgadas (0.005mm). “Con el fin de conseguir una distribución uniforme de la carga, generalmente los cilindros se cabecean con mortero de azufre (ASTM C 617) o con almohadilla de neopreno (ASTM C 1231). El cabeceo de azufre se debe aplicar cono mínimo dos hora antes y preferiblemente un día antes de la prueba”8. 8 http://www.imcyc.com/ct2006/junio06/PROBLEMAS.pdf : 21 [consulta 10 de septiembre del 2008].

Figura 7.8

Figura 7.9


7.2.3.5 Procedimiento El ensayo de compresión de un espécimen curado en humedad debe ser realizado, tan pronto como sea factible, después de la extracción del almacenaje húmedo. El espécimen debe permanecer húmedo por cualquier método, entre el periodo de extracción del almacenaje y el de la prueba. El espécimen será sometido al ensayo en condiciones húmedas. Todo espécimen para un determinado ensayo, luego de un cierto tiempo de cura, debe ser roto dentro del límite de tolerancia permisible como se indica en la tabla IV:

TABLA IV

Edad espécimen Tolerancia permisible 24 h ± 0.5 h ó 2.1%

3 días ± 2 h ó 2.8% 7 días ± 6 h ó 3.6%

28 días ± 20 h ó 3.0% 90 días ± 2 días ó 2.2%

El técnico que efectúe la prueba debe anotar la fecha en que se recibieron las probetas en el laboratorio, la fecha de la prueba, la identificación de la probeta, el diámetro del cilindro, la edad de los cilindros de prueba, la máxima carga aplicada, el tipo de fractura y todo defecto que presenten los cilindros o su cabeceo. Si se mide, la masa de los cilindros también deberá quedar registrada.

Figura 7.10


El resultado de la prueba es el promedio de, por lo menos, dos pruebas de resistencia curadas de manera estándar o convencional elaboradas con la misma muestra de concreto y sometidas a ensayo a la misma edad. En la mayoría de los casos, los requerimientos de resistencia para el concreto se realizan a la edad de 28 días. Cuando los resultados de las pruebas de resistencia indican que el concreto suministrado no cumple con los requerimientos de la especificación es importante reconocer que la falla puede radicar en las pruebas, y no en el concreto.

7.3 PRACTICA DE COMPRESIÓN Al realizar el ensayo de compresión sobre los materiales: metales y madera, según lo explicado en las diferentes normas, se debe tomar en cuenta las siguientes consideraciones: 7.3.1 Máquinas de ensayo Para realizar la prueba de compresión en los metales y madera, se utilizará la misma máquina universal de ensayos (figura 7.5), pero en la parte superior de la misma (entre el cilindro hidráulico y la mesa transversal); mientras que para el ensayo en los especímenes de concreto se utiliza la máquina indicada en la figura 7.11. 7.3.2 Instrumentos: Además de las máquinas de ensayo, hace falta disponer de los siguientes instrumentos y accesorios:

• Utillaje: los soportes. • Discos de neopreno o caucho natural.(Figura

7.12) • Calibrador y cinta métrica.

7.3.3 Materiales:

• Acero. • Aluminio. • Hierro fundido. • Dos probetas de madera. • Tubos de acero. • Cilindros de hormigón.

9 http://bdigital.eafit.edu.ec/bdigital/HEMEROTECA/HRV038/Revista%20135.pdf : 75 [consulta 05 de septiembre del2008].

Figura 7.11

Figura 7.12 9


7.3.4 Procedimiento Para realizar el ensayo de compresión, en la Máquina Universal de ensayos, se procede de la siguiente manera:

• Medir la longitud, diámetro ó dimensiones lineales según presente la muestra • Colocar la probeta (con una película de aceite) entre los platos • Centrar la probeta • Alimentar los datos solicitados por el software • Aplicar la carga (Inicia el ensayo) • Retirar probeta e interpretar los resultados

7.4 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Analizar los comportamientos al esfuerzo de compresión de los diferentes materiales ensayados.


7.5 BIBLIOGRAFÍA • Standard Test Methods of Compression Testing of Materials at Room Tempertature. ASTM

E9-89a (Reapproved 2000). • ASTM C39 / C39M - 05e1 Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical

Concrete Specimens. • ASTM C31/C31M-06 Standard Practice for Making and Curing Concrete Test Specimens in

the F. • Standard Test Methods for Small Clear Specimenes of Timber. ASTM D 143 – 94. • Standard Test Methods for Compressive Properties of Rigid Plastics. ASTM D695-02a. • Norma Ecuatoriana NTE INEN 135: Ensayo de compresión longitudinal para tubos de acero

de sección circular. • BELDFORD, Anthony; LIECHTI, Kenneth. Mecánica de Materiales. Pearson Education de

Colombia Ltda. Bogotá, 2002. • BEER, Ferdinand; JOHNSTON Russell; DEWOLF John. Mecánica de Materiales. Tercera

edición. McGrawHill Interamericana. México, 2004. • CRAIG, Roy R. Mecánica de Materiales. Tercera reimpresión. Grupo Editorial Patria S.A.

DE C.V. México, 2007. • GÓMEZ Gónzalez, Sergio. Control de Calidad en fabricación Mecánica. Ediciones Ceysa.

Barcelona, 2007. • SCHAFFER, James P. Ciencia y diseño de ingeniería de los materiales. Compañía Editorial

Continental. México, 2000. • ASTM C 31, C 39, C 617, C 1077, C 1231, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 04.02,

ASTM, West Conshohocken, PA, www.astm.org. • Concrete in Practice Series, NRMCA, Silver Spring, MD, www.nrmca.org. • In-Place Strength Evaluation - A Recommended Practice, NRMCA Publication 133,

NRMCA RES Committee, NRMCA, Silver Spring, MD. • www.frrg.utn.edu.ar /cienciad.pdf • www.elprisma.com • www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materiales4.htm • www.extrucol.comnormas.htm • www.filemon.mecanica.upm.es • www.materiales.eia.edu.co/laboratorios/traccion.htm • www.adelcaecuador.com • www.andecsa.com • www.imcyc.com/ct2006/junio06/PROBLEMAS.pdf • http://bdigital.eafit.edu.ec/bdigital/HEMEROTECA/HRV038/Revista%20135.pdf


Anexo I El Ing. Gabriel Calle Trujillo de la universidad de Pereira propone en su página de Internet, un método para encontrar el límite de proporcionalidad ó elasticidad.

Límite de proporcionalidad (elasticidad) “El valor aproximado de Fp (fuerza límite de proporcionalidad), se puede determinar por el punto donde comienza la divergencia entre la curva de compresión y la continuación del segmento rectilíneo (ver fig. A-1). Se considera como Fp el valor en cuya presencia la desviación de la dependencia lineal entre la carga y el alargamiento, alcanza un 50%.

Fig. A-1 Determinación gráfica de Fp

Cuando la escala del diagrama de compresión (F - δ ) es suficientemente grande, la magnitud del límite de proporcionalidad se puede determinar en forma gráfica, directamente en este diagrama (fig. A-1). En primer término, se prolonga el tramo rectilíneo hasta su intersección con el eje de las deformaciones en el punto O, el cual es tomado como un nuevo origen de coordenadas, excluyendo de esta manera, alguna alteración que pueda producirse en el primer tramo del diagrama, debido a una insuficiente rigidez de la máquina o a que la placa no fue completamente aplicada contra la probeta. Luego se puede usar el siguiente procedimiento. En una altura arbitraria, en los límites del dominio elástico, se traza una horizontal AB, perpendicular al eje de las cargas (véase la Fig. 5), luego se traza en ella el segmento BC = 1/2 AB y enseguida, se traza la línea OC. Si después de esto, se traza una tangente a la curva de tracción, que sea paralela a CC, entonces el punto de tangencia P determinará la magnitud de la carga buscada Fp, (véase la Fig. 5). El valor de σp se determina:

0AFp

p =σ,

donde A0 es el área inicial de la probeta, luego este valor debe ser identificado y denotado en la gráfica ε - σ ”.10 10 http://www.utp.edu.co/~gcalle/Contenidos/Compresion.htm

Ensayo de resiliencia 78

LABORATORIO Nº 8 ENSAYO DE RESILIENCIA

PARA MATERIALES METÁLICOS OBJETIVOS

• Conceptualizar la terminología apropiada según la norma ASTM E23–07aЄ. • Realizar el ensayo de impacto a materiales metálicos, determinando la energía absorbida y la

expansión.

El objeto del ensayo de impacto es el de comprobar sí una máquina o estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones que impone su empleo, muy especialmente cuando las piezas experimentan concentraciones de tensiones por cambios bruscos de sección, maquinados incorrectos, bajas temperaturas, o bien verificar el correcto tratamiento térmico del material ensayado. 8.1 INTRODUCCIÓN TEÓRICA “El ensayo de resiliencia es un procedimiento normalizado que permite evaluar la resistencia del material frente al impacto (o resiliencia) y determinar de esta forma la energía que logra absorber una probeta al ser golpeada por un pesado péndulo en caída libre. El ensayo entrega valores en Joules y éstos pueden diferir fuertemente a diferentes temperaturas”1. Antes de pasar al tema, conviene refrescar tres conceptos físicos: el trabajo, la energía y la conservación de la energía, los cuales, resultan indispensables para comprender éste ensayo. 8.1.1 EL TRABAJO “El trabajo W efectuado sobre un objeto por un agente que ejerce una fuerza constante es el producto de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento y la magnitud del desplazamiento de la fuerza”2 (fig. 8.1).

Donde: θ = ángulo F = fuerza d = desplazamiento

1 GÓMEZ, Sergio Gónzalez. Control de calidad en fabricación mecánica. Segunda edición. (Barcelona: Ediciones Ceysa, 2008): 79. 2 SERWAY, Raymond A.; BEICHNER, Robert J. Física para Ciencias e Ingeniería. Quinta edición. Tomo I. (México: McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. DE C.V., 2002): 184.

W = F · d · cos θ


El trabajo es una cantidad escalar y sus unidades son de fuerza multiplicada por longitud. Por tanto, la unidad SI del trabajo es el newton·metro (N·m). Otro nombre que se da al newton-metro es el joule (J).

8.1.2 LA ENERGÍA La energía está presente en el Universo en una gran diversidad de formas, entre las que se cuentan: energía mecánica, energía química, la energía electromagnética, y la energía nuclear. En el ensayo de resiliencia, está presente la energía mecánica, que se subdivide en: 8.1.2.1 ENERGÍA CINÉTICA “En general, la energía cinética Ec de una partícula de masa m que se mueve con rapidez v se define como (fig. 8.2).

La energía cinética es una cantidad escalar y tiene las mismas unidades que el trabajo”3.

3 SERWAY, Raymond A.; BEICHNER, Robert J. Física para Ciencias e Ingeniería. Quinta edición. Tomo I. (México: McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. DE C.V., 2002): 194-195.

Fig. 8.1

2

21 mvEc =

Fig. 8.2

Fig. 8.3


8.1.2.2 ENERGÍA POTENCIAL “Cuando un objeto cae hacia la Tierra, ésta ejerce sobre él una fuerza gravitacional mg en la dirección de su movimiento. La fuerza gravitacional efectúa trabajo sobre el objeto, con lo cual incrementa su energía cinética”4. El producto de la magnitud de la fuerza gravitacional mg actuando sobre un objeto y la altura y del objeto, es la energía potencial gravitacional (fig. 8.3). Las unidades de energía potencial gravitacional son idénticas a las unidades de trabajo: joules. La energía potencial, lo mismo que el trabajo y la energía cinética, es una cantidad escalar. 8.1.3 CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA Un objeto que se mantiene a cierta altura h sobre el suelo no tiene energía cinética pero, la energía gravitacional del sistema objeto-Tierra es igual a mhg. “Si el objeto se suelta cae hacia el piso; conforme cae, su rapidez y energía cinética aumentan, en tanto que la energía potencial del sistema disminuye. Si se ignoran factores tales como la resistencia del aire, cualquier energía potencial que el sistema pierde conforme el objeto se mueve hacia abajo aparece como energía cinética. En otras palabras, la suma de las energías cinética y potencial –la energía mecánica total E– permanece constante”5. Las respectivas variaciones son iguales y opuestas:

El caso de la masa en caída libre sin rozamiento de un desnivel y comporta una pérdida de energía potencial igual a m·g·y, una ganancia de energía cinética: ½ · mv2. En función al principio de conservación:

Y se obtiene fácilmente la velocidad final:

4 SERWAY, Raymond A.; BEICHNER, Robert J. Física para Ciencias e Ingeniería. Quinta edición. Tomo I. (México: McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. DE C.V., 2002): 215. 5 Ibid: 220.

Ep = m·g·y

0=Δ+Δ

Δ=Δ−

pc

pc

EE

EE

021 2 =⋅+⋅⋅ vmygm

ygv ⋅⋅= 2


Fig. 8.4

H1 H2

Posición 1

Posición 2

8.2 ENSAYO DE RESILENCIA (CHARPY) 8.2.1 Introducción “El nombre de este ensayo se debe a su creador, el francés Agustin Georges Albert Charpy (1865 - 1945)… Desde el punto de vista de la ingeniería es muy importante, y en ocasiones imprescindible, conocer cuál sería el comportamiento mecánico de los materiales, cuando se encuentran expuestos a condiciones extremas de servicio. Es por ello que muchos de los ensayos de impacto se realizan en condiciones en las cuales se favorece la fractura frágil”6. La norma ASTM E23–07aЄ describe el método de ensayo de flexión por choque sobre probetas Charpy (con tipos diferentes de entalles) de los materiales metálicos. El principio del ensayo consiste en romper de un solo golpe, con una masa-péndulo, en las condiciones que se definen en la norma, una probeta entallada en su punto medio y apoyada en sus dos extremos. Se determina la energía absorbida expresada en joules (fig.8.4). Esta energía caracteriza la resistencia al choque de los materiales. Analizando el principio de ensayo, nos damos cuenta, que es una aplicación del concepto de energía analizada en los ítems anteriores. La figura 8.4 representa el esquema de dicho ensayo, en donde, la energía potencial (mgH1) es aquella que posee el péndulo en el punto más alto de su trayectoria antes de dejarlo caer. Esta energía potencial va transformándose en energía cinética a medida que el péndulo se acerca a la probeta y, al impactar contra ella, parte de dicha energía se emplea en el proceso de rotura y el resto la utiliza el péndulo en su movimiento de ascenso hasta alcanzar la posición final (instante en el que se detiene para continuar después el movimiento en sentido contrario). En este punto la energía potencial del péndulo es:

Si se considera despreciable la energía disipada por rozamientos, la energía absorbida durante la rotura de la probeta será:

)( 2121 HHgmEEE pp −⋅=−= 6 www.rmf.fciencias.unam.mx/pdf/rmf-e/52/1/52_1_0.51.pdf REVISTA MEXICANA DE FÍSICA E 52 (1) 51-52, junio 2006.

Ep2 = m·g·H2

AHHgm

AE )( 21 −⋅==ρ


Donde A es la sección de la probeta utilizada en el ensayo y dependerá de su naturaleza (Charpy o Izod) y del tipo de probeta (ver ítem 8.2.2). Cada una de ellas tiene secciones normalizadas diferentes. Mientras que ρ es la resiliencia. Actividad: Resuelvan el siguiente problema. Se realiza un ensayo de resiliencia (Charpy) dejando caer una maza de 19.49 kg desde una altura de 1.5445 mt. sobre la probeta y, después de romperla, el martillo se eleva hasta una altura de 0.91 mt. Calcular la resiliencia y la velocidad que alcanza la maza en el momento del impacto. La sección de la probeta es de 0.5 cm2. Solución: 8.2.2 Probetas Las probetas, de acuerdo a la Norma ASTM E23–07aЄ, son de sección cuadrada de 10 mm de lado por 55 mm de largo, llevan un entalle en la mitad, según indica la figura 8.5 y resumidas sus características en la tabla 8.1. La elección del tipo de probeta depende del material a ensayar.

Designación

Tipo A (entalla en V) Tipo B Tipo C (entalla en U) Medida nominal

Tolerancia

Medida nominal

Tolerancia

Medida nominal

Tolerancia

Longitud 55mm +0, -2.5mm 55mm +0, -2.5mm 55mm +0, -2.5mm Altura 10mm ± 0.60 mm 10mm ± 0.60 mm 10mm ± 0.11 mm Anchura 10mm ± 0.11 mm 10mm ± 0.11 mm 10mm ± 0.11 mm Angulo de entalla 45° ± 2 ° - - - - Altura bajo la entalla 8mm ± 0.06 mm 5 mm ± 0.09 mm 5 mm ± 0.09 mm Radio en el fondo cilíndrico de la entalla

0.25mm ± 0.025 2 mm ± 0.025 1 mm ± 0.07mm

Distancia en el plano de simetría de la entalla a los extremos de probeta

27.5mm ± 1mm 27.5mm ± 1mm 27.5 mm

± 1mm

Angulo entre plano de simetría de la entalla y eje longitudinal de probeta

90 ° ± 2 ° 90 ° ± 2 ° 90 ° ± 2 °

Angulo entre dos caras longitudinales adyacentes probeta

90 ° ± 1 ° 90 ° ± 1 ° 90 ° ± 1 °

Tabla 8.1 Características de las probetas


Fig. 8.5 Tipos de probetas7 8.3 MÁQUINA DE ENSAYO

La máquina de ensayo debe estar sólidamente construida e instalada de forma rígida y cumplir con lo indicado en la norma ASTM E23–07aЄ. Los valores de las características principales de la máquina se recogen en tabla 8.2. y representadas en la fig. 8.6.

Designación Valor

Distancia entre apoyos 2.0040+ mm

Radio de apoyos 2.001+ mm

Angulo de salida de cada apoyo 10° ± 1° Angulo de filo de la cuchilla de la maza

30 ° ±1°

Radio del filo de cuchilla de la maza 8 mm Anchura máxima del filo de la cuchilla de la maza

18mm

Velocidad de la maza en el momento del impacto.

5m/s a 5.5 m/s

Angulo entre los soportes y los apoyos 90 ° ± 0.1° Tabla 8.2 Características de la máquina de ensayo

7 ASTM E23–07aε Standard Test Methods for. Notched Bar Impact Testing of Metallic Material, 2007: 2.


Fig. 8.68

Las condiciones del ensayo normal corresponden a una energía nominal de la máquina de 300 J± 10 J, utilizando probetas de medidas estándar. La energía absorbida, en estas condiciones, se designa mediante los símbolos: - KU para probetas con entalla en U; - KV para probetas con entalla en V.

Por ejemplo: - KV = 121 J significa:

- energía nominal 300 J; - probeta estándar en V; - energía absorbida en la rotura: 121 J

8.4 EXPANSIÓN LATERAL 8.4.1 La medida de expansión Lateral: Los métodos de medición de la expansión lateral, tienen que tomar en cuenta, el hecho de que el camino de la fractura rara vez corta el punto de la máxima expansión en ambos lados de la probeta. La mitad de una probeta rota, puede incluir: la máxima expansión para ambos lados, solo un lado o

8 ASTM E23–07aε Standard Test Methods for. Notched Bar Impact Testing of Metallic Material, 2007: 12.


ninguno. Por tanto, la expansión en cada lado de cada mitad de la probeta debe ser medida relativa al plano definido por la porción deformada en el lado de la probeta, como se muestra en la fig. 8.7. Por ejemplo, si A1 es mas grande que A2, y A3 es menos que A4, luego, la expansión lateral es la suma de A1 + A4.

Fig. 8.7 Mitades rotas de Charpy V

Antes de tomar cualquier medida de la expansión, es esencial que las dos mitades de la probeta sean visualmente examinadas de rebabas, las cuales, puedan haberse formado durante el impacto del ensayo; luego hay que verificar las superficies de la fractura, para determinar si los salientes no se han dañados, en caso contrario no se realizará la medición. La medida de la expansión lateral se reportará como sigue:

• la expansión lateral de una probeta que no se ha roto, puede ser reportada como rota, siempre y cuando, la probeta puede ser separada flexionándola sin fatigar, luego tomar la medida de la expansión lateral;

• para las probetas que no se han roto (antes que se doblen) es igual o mayor que la medida para las mitades separadas.

En este caso, donde una probeta no puede ser separada en dos mitades, la expansión lateral puede ser medida siempre y cuando los bordes de la cizalla puedan ser accedidos sin interferencia del ligamento de las bisagras que se han deformado durante la prueba. La probeta debe ser reportada como no rota. La expansión lateral puede medirse fácilmente usando un reloj comparador, como se muestra en la fig.8.8. Usando el reloj, la medición se realiza con el siguiente procedimiento: orientar las mitades de la probeta de manera que la compresión de los lados esté uno frente a otro, tomando una mitad de


la probeta fracturada se presiona contra el yunque, luego se mide con el reloj comparador y se reporta la lectura; realizar luego una medición similar sobre la otra mitad (mismo lado) de la fractura de la probeta sin tomar en cuenta el valor inferior de las medidas. Hacer lo mismo para el otro lado de la probeta fracturada, reportar la suma de las expansiones máximas para los dos lados, como la expansión lateral de la probeta.

Fig 8.8 Calibrador de Expansión lateral para probeta impacto Charpy

8.5 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA. TRANSICIÓN DÚCTIL-FRÁGIL La temperatura juega un papel muy importante sobre el comportamiento de los aceros, al realizar un ensayo a valores inferiores a cero, sucede una disminución brusca de tenacidad. O sea que un material metálico pasa de un comportamiento dúctil a un frágil por efecto de la temperatura. La temperatura toma mucha importancia en el diseño de componentes para servicio a baja temperatura. Por ejemplo “los barcos «Liberty» usados al final de la Segunda Guerra Mundial sufrieron catastróficas fallas durante el invierno de 1942, conllevando a que algunos de estos buques se partieron literalmente en dos. Entre las causas de estos fallos se encontraba la presencia de un diseño inadecuado de las uniones soldadas, lo que contribuía a la presencia de altos niveles de concentraciones de esfuerzos en zonas localizadas. Esto unido al comportamiento frágil del acero a bajas temperaturas inducía la propagación de grietas que provocaba la fractura de su estructura. Otro caso ocurrido previamente fue el hundimiento del Titanic en el año 1912. El acero utilizado en su construcción era el mejor de la época, sin embargo hoy en día no pasaría las pruebas más elementales de calidad, producto del alto contenido de impurezas que contenía. Ese alto contenido de impurezas provoca que la resistencia del acero a la fractura sea baja, y especialmente en condiciones de baja temperatura su ductilidad se ve reducida. Por lo cual todos estos factores influyeron negativamente al ocurrir el impacto del Titanic con el iceberg en aguas heladas, lo que conllevó a su posterior hundimiento”9.

9 www.rmf.fciencias.unam.mx/pdf/rmf-e/52/1/52_1_0.51.pdf REVISTA MEXICANA DE FÍSICA E 52 (1) 56, junio 2006.


Fig. 8.910

La figura 8.9, muestra diferentes probetas de charpy ensayados a diversas temperaturas. Se observa, como al disminuir la temperatura, de igual manera decrecen los valores de la energía y la expansión lateral. 8.6 INFORME DE ENSAYO

El informe del ensayo debe incluir, al menos, los siguientes datos:

- referencia a esta norma: ASTM E23–07ªЄ - el tipo y medidas de la probeta; - la identificación de la probeta (tipo de material, número de colada, etc.); - si se conoce, el sentido de la muestra y orientación de la probeta; - energía nominal de la maza; - temperatura del ensayo, en grados Celsius; - la energía absorbida, según el tipo de probeta, en joule. - Expansión Lateral.

8.7 CÁLCULO DE LA RESILIENCIA La resiliencia viene dada por la relación entre la energía absorbida al momento de rotura de la probeta y de su área transversal en el punto de entalla.

10 Figura tomada: SCHAFFER, James P. Ciencia y diseño de ingeniería de los materiales. (México: Compañía Editorial Continental, 2000): 367.


donde: ρ = resistencia al impacto (resiliencia) en Joules; E = energía absorbida al momento de rotura de la probeta; A = área de la sección transversal de la probeta en cm2. 8.8 EQUIPOS Y MATERIALES

8.8.1 Máquina de ensayo

La máquina charpy utilizada en el laboratorio de ensayo se encuentra representada en la figura 8.10, sus partes son:

• Cuerpo de la máquina • Masa • Soportes probeta • Encoder • Protectores

Fig. 8.10

AE

=ρ


La máquina METRO COM, tiene las siguientes características: • Distancia entre apoyos: 40 mm • Peso del martillo: 19.5 kg. • Longitud brazo: 792.6 mm • Altura caída martillo: 1,5445 mt • Energía máxima disponible: 295.355 J

8.8.2 Equipos e instrumentos:

• Módulo SAEL WIN 12 para Charpy; • Calibrador; • Termómetro.

8.8.3 Materiales:

• Acero (para chavetas) 10x10x55 de longitud; • Fundición de aluminio o hierro fundido.

8.8.4 Proceso de ensayo

Para realizar el ensayo Charpy en la máquina METRO COM, se procede de la siguiente manera:

A. Software “DINA 240 versión 4.0” a) Para entrar, clica en “tipo di prova”; b) Vuelta clica en “Resiliencia”; c) Llenar el formato presentado en la pantalla; menos los dos últimos ítem; d) Es importante indicar la temperatura de ensayo en “Annotazioni”; e) Una vez llenado el formulario, se clica en “inizia acquisizione”; f) Pasar a B.

B. Módulo Sael Win 12 para Charpy Antes de iniciar el Ensayo:

a) Sobre el digital aparece E1 → 0.0; b) Enganchar el martillo, y pulsar F1, aparecerá: como apagado. c) Colocar la probeta sobre los apoyos de la máquina, de forma que la arista de la

maza golpee la cara opuesta a la entalla; d) Soltar el martillo, romper la probeta y aparecerá E1 ….energía (energía

absorbida por la probeta); e) Disipar la energía del martillo a través de 10 oscilaciones completas f) Pulsando ENTER aparecerá A….ángulo (ángulo de resalida del martillo).

C. Para imprimir los resultados a) Clica en “Stampa certificato”; b) Para salir “Esci”.


8.9 BIBLIOGRAFÍA • ASTM E23–07aε Standard Test Methods for. Notched Bar Impact Testing of Metallic

Material, 2007. • EN 10 045-1 Materiales metálicos. Ensayo de flexión por choque. Sobre probeta Charpy.

Parte 1: Método de ensayo, 1992. • SERWAY, Raymond A.; BEICHNER, Robert J. Física para Ciencias e Ingeniería. Quinta

edición. Tomo I. McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. DE C.V. México. 2002. • Gómez Sergio Gónzalez. Control de calidad en fabricación mecánica. Ediciones Ceysa.

Barcelona. 2007. • Schaffer.James P. Ciencia y diseño de ingeniería de los materiales. Compañía Editorial

Cintinental. México. 2000. • Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Mecánica. Febrero 2006. Guía de

Laboratorio para el ensayo de impacto. • Universidad Nacional de Cuyo. Facultad de Ingeniería. Cátedra de Ciencia de los Materiales.

Febrero 2005. Guía de Trabajos N° 4. Ensayo de Choque. • Catálogo de aceros, herramientas de corte y soldadura. IVAN BOHMAN C.A. Guayaquil. • http://fing.uncu.edu.ar/catedras/industrial/cmateriales/archivos/cmateriales/TPChoque.pdf • www.rmf.fciencias.unam.mx/pdf/rmf-e/52/1/52_1_0.51.pdf REVISTA MEXICANA DE

FÍSICA E 52 (1) 51-57 JUNIO 2006. • www.rmf.fciencias.unam.mx/pdf/rmf-e/52/1/52_1_0.51.pdf REVISTA MEXICANA DE

FÍSICA E 52 (1) 51-57 JUNIO 2006. • www.material.fis.ucm.es/laboratorios/Cienciatura/LabProMec/charpy.doc • www.material.fis.ucm.es/laboratorios/Licenciatura/LabProMec/charpy.doc • http://personales.upv.es/~avicente/curso/unidad2/resiliencia.html • www.monografias.com/trabajos14/choque/choque.shtml • www.materiales.eia.educo/laboratorios/impacto.htm • www.filemon.mecanica.upm.es

Ensayo de torsión simple 91

Fig 9.1

LABORATORIO N° 9 ENSAYO DE TORSIÓN

OBJETIVOS

• Analizar la norma ASTM E143-01 Standard Test Method for Shear Modulus at Room temperature.

• Realizar el ensayo de torsión y determinar las propiedades mecánicas a torsión y los tipos de fallas en diferentes materiales.

El ensayo de torsión consiste en aplicar un par torsor a una probeta por medio de un dispositivo de carga y medir el ángulo de torsión resultante en el extremo de la probeta. Este ensayo se realiza en el rango de comportamiento linealmente elástico del material. Los resultados del ensayo de torsión resultan útiles para el cálculo de elementos de máquina sometidos a torsión tales como árboles de transmisión, tornillos, resortes de torsión y cigüeñales. 9.1. INTRODUCCIÓN TEÓRICA “La torsión se refiere al torcimiento de una barra recta al ser cargada por momentos (o pares de torsión) que tienden a producir una rotación alrededor del eje longitudinal de la barra; por ejemplo, al girar un desarmador (fig 9.1a), la mano aplica un par de torsión T a la manija (fig 9.1b) y tuerce el vástago del desarmador. Otros ejemplos de barras de torsión son los ejes de impulsión, ejes de transmisión, ejes de hélices, barras de dirección y brocas”1. 9.1.1. Definición de esfuerzo cortante y

distorsión angular. En la figura 9.2, se esquematiza la aplicación de un momento torsor T en el extremo libre de un sólido cilíndrico de longitud L empotrado en su extremo opuesto. En esta figura se observa que, para los valores pequeños de γ puede expresarse la longitud del ab = L·γ. Pero, por otra parte, se tiene que ab es = R·θ. Se deduce que L·γ= R·θ, o

RL⋅θ

γ = (1)

Donde: θ es el ángulo de torsión expresado en radianes; γ la deformación angular expresado en radianes. 1 GERE, James; TIMOSHENKO, Stephen P. Mecánica de Materiales. (México: International Thompson Editores, 2002): 187.


Fig. 9.2

Para determinar el esfuerzo cortante maxτ del material se aplica la ley de Hooke para la torsión, se escribe

max Gτ = γ (2) Donde: G es el módulo de rigidez o módulo de corte del material. Si los esfuerzos cortantes no sobrepasan el límite de proporcionalidad, dicho esfuerzo se distribuye linealmente, siendo cero en el eje neutral de la probeta y logrando un valor máximo en la periferia. Así, es posible utilizar otra formula para calcular el esfuerzo cortante máximo, la cual considera el momento torsor T aplicado y el momento polar de Inercia Ip de la sección de la pieza que resiste la torsión:

IpTR

=maxτ (3)

En el caso de secciones circulares de radio R, el momento polar de inercia Ip es:

44

21

321 RdI polar ππ ==

Por lo tanto, el esfuerzo cortante en la periferia del cilindro es igual a:

3max2RT

πτ =


Fig 9.5

“Para barra en torsión pura, el ángulo de torsión total γ, que es igual al ángulo de torsión por unidad de longitud multiplicado por la longitud de la barra (es decir, γ=θ·L), es

p

T LG I

⋅γ =

⋅

Donde: γ se mide en radianes”2. “La relación obtenida muestra que, dentro del rango elástico, el ángulo de giro γ es proporcional al par de tensión T aplicado al eje”3. Igualando las ecuaciones (2) y (3), finalmente permite obtener: Si una probeta cilíndrica de longitud L es sometida a un troqué T, el ángulo de torsión φ esta dado por la siguiente ecuación:

IpTRG =γ (4)

De la ecuación (1) se puede obtener una expresión para el ángulo γ en función del ángulo de torsión θ, el que se sustituye en la ecuación (4) para llegar a:

p

R T LGL I⋅θ ⋅

γ = ⇒ =γ ⋅

Sobre la base de la ecuación anterior, se puede determinar experimentalmente el módulo de corte G del material de la probeta. Es posible hacer algunas analogías entre las expresiones matemáticas encontradas al analizar elementos sometidos a la acción de una carga “P” a tensión y un elemento de sección circular sometido a un par de torsión “T”.

De aquí que para toda deformación longitudinal: y para los desplazamientos angulares: .

2 GERE, James; TIMOSHENKO, Stephen P. Mecánica de Materiales. (México: International Thompson Editores, 2002): 195. 3 BEER, Ferdinand P.; JOHNSTON, Russell E.; DEWOLF, Jhon T. Mecánica de Materiales. (China: McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. DE C.V., 2007): 150.

GJTL

=φPLEA

γ =

Fig 9.4


9.2. Diagrama de momento torsor y ángulo de torsión4. La obtención del diagrama de momento torsor en función del ángulo de torsión, para una probeta cilíndrica sometida a torsión, es fundamentalmente para determinar el modulo de rigidez al corte, el esfuerzo cortante de proporcionalidad y el esfuerzo cortante de fluencia. Para lograr esto, se debe obtener una cantidad de datos suficientes que permita construir una tabla de momento torsor versus al ángulo de torsión.

Angulo de torsión θº Momento torsor T (Nm) 0 0 3 2 6 4.1 9 5.8 12 8.1 15 9.5 18 10.2 21 10.5 24 10.7 27 10.8

Con los datos obtenidos en la tabla, se puede construir el grafico (fig. 9.6) siguiente:

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30

Angulos de torsion

Mom

ento

tors

or T

Fig. 9.6 Grafico de un ensayo de torsión

La zona lineal del grafico permite obtener el torque limite de proporcionalidad Tpp y el ángulo de torsión de proporcionalidad θpp , y hacia el final del grafico se obtiene el torque máximo Tmax. Con estos valores se puede calcular el modulo de rigidez al corte del material G, el esfuerzo cortante de proporcionalidad τpp y el esfuerzo cortante máximo τmax.

ppp

pppppp QI

LTG

RT

RT

=== 3max

max3

22π

τπ

τ

4 Tomado de: http://www.dimec.usach.cl/images/guias/79/E982_Ensayo_de_torsion.doc [consulta 10 de enero de 2007].


9.3. EL ENSAYO DE TORSIÓN “Para determinar el módulo de cortante de un material, sus propiedades de resistencia al cortante, o determinar otras propiedades relacionadas con la torsión se prueban barras en una máquina de ensayos de torsión como la que se puede observar en la figura 9.7. A medida que se tuerce la barra de torsión, se registran el par y la torsión”5. La norma ASTM E143-01 Standard Test Method for Shear Modulus at Room Temperatura, nos presenta el método para determinar el módulo de rigidez de material. Este método es limitado a materiales en los cuales el deslizamiento es insignificante, o sea, a materiales muy rígidos con buenas características de torque. 9.4. PRÁCTICA DE TORSIÓN Para la realización de esta práctica, hace falta tomar en cuenta: 9.4.1. Máquina de Ensayo La máquina está compuesta por las siguientes partes:

1. mandril giratorio de dos garras;

2. mandril fijo de dos garras;

3. contrapunto; 4. celda de carga de

torsión; 5. display (aparece

el valor del torque en N·m);

6. motoreductor. 9.4.2. Probetas Para esta práctica se utilizará la probeta propuesta por la “Guía de Laboratorio de la Universidad de Santiago de Chile, de la Facultad de Ingeniería” debido a que no se cuenta con otras normas a nivel nacional e internacional (fig. 9.8).

Fig. 9.8 Probeta normalizada

5 ROY, R.; GRAIG, JR. Mecánica de Materiales. Tercera reimpresión. (México: Grupo Editorial Patria S.A. DE C.V., 2007): 241.


9.4.3. Instrumentos Para la realización de este ensayo, hay que disponer:

- un calibrador. Materiales Se pueden utilizar los siguientes materiales:

- Acero Assab 705; - Cobre.

9.4.4. Procedimiento Al realizar el ensayo, conviene proceder de la siguiente forma:

1) Medir el φ de la probeta; 2) centrar la probeta en las dos mordazas, con la ayuda de una regleta en V, : 3) acerar el cuenta-revoluciones; 4) acerar el display (pulsando la letra T); 5) acerar el goniómetro (tomar la medidas durante el ensayo de la variación del ángulo

vs. torque del display); 6) accionar el pulsante para que gire el mandril; 7) al terminar el ensayo anotar los valores indicados.

9.5. INFORME DE RESULTADOS

a. Calcular el esfuerzo cortante máximo de materiales ensayados. b. Diagrama del momento torsor versus ángulo de torsión en radianes. c. Determinación de módulo de rigidez para las diferentes probetas ensayadas. d. Análisis de resultados.

9.6. BIBLIOGRAFÍA • ASTM E143-01 Standard Test Method for Shear Modulus at Room Temperature. • GERE, James; TIMOSHENKO, Stephen P. Mecánica de Materiales. International

Thompson Editores. México, 2002. • BEER, Ferdinand P.; JOHNSTON, Russell E.; DEWOLF, Jhon T. Mecánica de

Materiales. McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. DE C.V. China, 2007. • ROY, R.; GRAIG, JR. Mecánica de Materiales. Tercera reimpresión. Grupo Editorial

Patria S.A. DE C.V. México, 2007. • BEDFORD, Anthony. LIECHTI, Kenneth. Mecánica de Materiales (Primera Edición).

Bogotá D.C.pearson EDUCATIÓN DE Colombia. Ltda., 2002. • http://www.dimec.usach.cl/images/guias/79/E982_Ensayo_de_torsion.doc • http://daniel.fime.uanl.mx/laboratorios/practica12.pdf • www.elprisma.com • www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materiales4.htm • www.extrucol.comnormas.htm • www.filemon.mecanica.upm.es • www.materiales.eia.edu.co/laboratorios/traccion.htm • www.itson.mx/dii/goros/ingmats/Ensayo%20de%20torsi%F3n.pdf • http://www.tecnun.es/asignaturas/Materiales1/docu/tema4.pdf

Ensayo de flexión 97

LABORATORIO N° 10 ENSAYO DE FLEXIÓN

OBJETIVOS

• Analizar la terminología apropiada del esfuerzo de flexión, según la Norma ASTM D 143 – 94 (2000).

• Determinar experimentalmente algunas propiedades de los materiales, de elementos solicitados a flexión.

El ensayo sirve fundamentalmente para determinar las características de resistencia de los materiales a la flexión en el campo de las deformaciones elásticas. Puede también, ser realizado para determinar la carga correspondiente a una determinada flecha permanente o, viceversa, la flecha permanente correspondiente a una determinada carga. 10.1. INTRODUCCIÓN TEÓRICA “El esfuerzo de flexión pura o simple se obtiene cuando se aplican sobre un cuerpo pares de fuerzas perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que provoquen el giro de las secciones transversales con respecto a los inmediatos”1 (fig. 10.1). Por comodidad para la realización del ensayo, se consideran como vigas simplemente apoyadas, con la carga concentrada en un punto medio. En estas condiciones, además de producirse el momento de flexión, se superpone un esfuerzo cortante, cuya influencia en el calculo de la resistencia del material varía con la distancia entre los apoyos, debido a que mientras los momentos flectores aumentan o disminuyen con ésta, los

1 http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi2000/santa-fe-sur/ensayodemateriales/Ensayos/Index.htm [consulta 01 de septiembre del 2007].

Fig. 10.1


Fig. 10.3

L

L/2

esfuerzos cortantes se mantienen constantes, por lo que será tanto menor su influencia cuanto mayor sea la luz entre los apoyos. (Para minimizar el efecto del esfuerzo cortante, se considera una distancia entre los soportes, suficientemente grande). 10.1.1 EL MOMENTO “El momento de una fuerza con respecto a un punto o eje proporciona una medida de la tendencia de la fuerza a ocasionar que un cuerpo gire alrededor del punto o eje”2. La acción contra una manivela o una palanca también produce un momento (fig. 10.2). Un momento es igual:

Donde:

P = la fuerza aplicada; d = el brazo.

10.1.1.1 APOYOS DE VIGAS Y REACCIONES EN LOS APOYOS Algunas indicaciones, de manera esquemática, para determinar las reacciones:

a) Dibujar el diagrama de cuerpo libre. b) Usar la ecuación de equilibrio ∑M = 0 sumando momentos con respecto al punto

aplicación de una de las reacciones de apoyo. La ecuación resultante entonces se puede resolver para la otra reacción.

c) Usar ∑M = 0 sumando los momentos con respecto al punto de aplicación de la segunda reacción para determinar la primera.

d) Usar ∑P = 0 para comprobar la exactitud de cálculos. 10.1.2 MOMENTOS FLEXIONANTES Nos limitamos, como se indicó al inicio, a una viga simplemente apoyada, con la carga concentrada en un punto medio. Los momentos flexionantes son los que provocan que la viga asuma su figura característica curvada o "flexionada". Para su determinación se aplican los conceptos presentados en el ítem 10.1.1.1. y en el Anexo 1. Entonces, el momento de una viga con una carga aplicada en el centro, dentro la zona de elasticidad (fig. 10.3), es igual: 2 HIBBELER, R. C. Mecánica Vectorial para ingenieros. Estática. Décima edición. (México: Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 2004): 113.

dPM ⋅=

Fig. 10.2

4LP

M fpfp

⋅=


Donde: Pfp = carga de proporcionalidad del 0.002 de L; L = distancia entre los apoyos.

10.1.2.1 MOMENTO DE RESISTENCIA DE LA SECCIÓN El módulo resistente, depende de la forma y del comportamiento (posición) de la sección transversal de una viga, es igual:

Donde:

I = momento de inercia, respecto a los ejes es x o y; c = distancia de la fibra más solicitada desde el eje neutro.

10.1.3 ESFUERZO CONVECIONAL NORMAL Los esfuerzos en la etapa de deformación elástica, considerando siempre en relación de una fibra externa más alejada desde eje neutro, dependiendo de los casos, pueden ser iguales:

a) Esfuerzo en la zona elástica, para los materiales dúcti1es:

b) Esfuerzo de rotura, para materiales frágiles:

10.1.4. FLECHA

Para la determinación del módulo de elasticidad acudimos a la fórmula de deflexión, de una viga simplemente apoyada con la fuerza aplicada en el centro de la luz (siempre tomando en cuenta la figura 10.3). Esta fórmula se determina a partir de las llamadas ecuaciones universales de línea elástica de la viga; representa la deformación medida perpendicularmente debajo de la carga y se expresa:

cIWf =

f

fpfp W

M=σ

f

fmfm W

M=σ

IELFf⋅⋅

×=3

481


10.2. GRAFICO CARGA – DEFLEXION

Fig. 10.4 Las cargas características del material son las siguientes: Ppp: carga de proporcionalidad: es el ultimo valor de la carga, tal que se mantiene el comportamiento proporcional lineal de la relación carga – flecha máxima. A pesar de que la carga de proporcionalidad y la carga elástica no son lo mismo, desde el punto de vista práctico son tan próximas que se asumen iguales. P max: carga máxima: es el máximo valor que alcanza la carga durante la prueba. P rup: carga de ruptura: carga bajo la cual el material colapsa por ruptura. Es posible que algunos materiales presenten un comportamiento de carga siempre creciente, por lo que la carga de ruptura y la carga máxima tendrían, por consecuencia, el mismo valor. Según esto, el modulo de elasticidad “E” es:

max

3

48 yILP

E pp

⋅⋅

⋅=

Así, la tensión proporcional “σ pp” es:

223

hbLPpp

pp ⋅⋅

⋅⋅=σ

Y la tensión máxima “σ max” es:

2max

max 23

hbLP

⋅⋅⋅⋅

=σ

ymaxpp ymax

P

Prup Ppp

Pma


10.3. ENSAYO DE FLEXIÓN Este ensayo es factible realizarlo sobre diferentes materiales, entre ellos, en los metales frágiles y madera. El primero se realiza según la norma ASTM A438:20033, sobre probetas de forma cilíndricas, las cuales pueden ser de tres tipos A, B y C, que corresponden respectivamente a los diámetros: 22, 30 o 50 por un largo 375, 525 y 675. Resulta un tanto complicado conseguir en el medio materiales fundidos sin defectos, lo cual complica la realización de este ensayo, por esto, es preferible realizarlo en la madera. La norma ASTM D143 – 94 (2000)4, nos presenta los métodos de ensayo para flexión, compresión, tracción, impacto, corte y determinación de humedad sobre madera. 10.3.1. PREPARACIÓN DE LA PROBETA

La norma ASTM D143–94(2000) considera, como requisito, que las probetas deben ser sin defectos ya que estos influyen en el resultado del ensayo, de manera considerable. Estarán libres de nudos, rajaduras, recalcaduras en las fibras, ataques de insectos u hongos o de cualquier otro defecto. Las probetas estarán elaboradas de tal manera que las fibras sean paralelas a uno de sus ejes. Dicho eje, será determinado en la forma del ensayo respectivo. La norma recomienda usar probetas de madera de 50x50x760 de largo, sobre dos soportes a una distancia de 710 mm aplicando la carga en el centro de la luz, en la forma indicada en la figura 10.4. Entre la pieza de presión de la máquina y la probeta, y entre los soportes y la probeta, deben colocarse caballetes de madera dura o de metal, para evitar la penetración de los soportes de la madera (fig.10.5). Las probetas deben colocarse de tal manera que la carga se aplique tangencialmente a los anillos de crecimiento.

3 Withdrawn Standard: ASTM A438-80(1997) Standard Test Method for Transverse Testing of Gray Casta Iron (Withdrawn 2003). 4 Historical Standard: ASTM D143-94 (2000) e1 Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber.

Fig. 10.5


Fig. 10.6

10.3.2. INFORME El informe debe contener:

- Norma utilizada: Estándar ASTM D143–94(2000); - instrumentos de medida; - forma de rotura (astillada, corta) y en cuanto sea posible representarla por medio de un

dibujo; - defectos de la probeta no detectables que puedan haber afectado la rotura, tales como:

desviación de grano, nudos y ataque de organismos; - los resultados obtenidos; - cualquier otro dato que se considere necesario.

10.4. MÁQUINAS DE ENSAYO El ensayo de flexión se lo realiza en la Máquina Universal de ensayo, marca METRO COM de 200 kN, en parte superior de la misma, utilizando unos utillajes apropiados (fig. 10.6)5. 10.5. MATERIALES

10.5.1 Para el ensayo se utilizaran:

Dos probetas de madera (diferentes) según las dimensiones indicadas en la norma ASTM D143–94(2000);

Una probeta de madera para realizar un ensayo con dos cargas concentradas.

10.5.2 Para el proceso del ensayo:

encontrar y trazar el punto medio de la longitud; colocar la probeta sobre los apoyos según las indicaciones (ver fig. 10.6);

5 Figura tomada de: Historical Standard: ASTM D143-94 (2000)e1 Standard Test Methods for Small Clear Specimens: 4.


ingresar los datos en el software; aplicar la carga.

10.6. ANALISIS DE RESULTADOS

• Analizar la: Gráfica (fuerza-deformación) ver figura 10.4;

• Realizar la gráfica 3LP ,δ

48×I⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

, determinar el módulo de elasticidad;

• Cuantificar las zonas de tracción y compresión (%) en la sección de rotura; • Realizar el diagrama del momento flector y del cortante.

10.7. BIBLIOGRAFÍA • Withdrawn Standard: ASTM A438-80(1997) Standard Test Method for Transverse Testing of

Gray Casta Iron (Withdrawn 2003). • Historical Standard: ASTM D143-94 (2000)e1 Standard Test Methods for Small Clear

Specimens of Timber. • HIBBELER, R. C. Mecánica Vectorial para ingenieros. Estática. Décima edición. Pearson

Educación de México, S.A. de C.V., México 2004. • GERE, James M. Mecánica de Materiales. Quinta edición. Thomson Learning, México 2002. • BEER, Ferdinand P.; JOHNSTON, Russell E.; DEWOLF John T. Mecánica de Materiales.

Cuarta edición. McGraw-Hill Interamericana, México 2004. • MOTT, Robert L. Resistencia de Materiales Aplicada. Tercera edición. Pearson Educación,

México 1996. http://www.rtp.edu.com/gcalle/contenidos/flexion.htm http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi2000/santa-fe-sur/ensayodemateriales/Ensayos/Index.htm www.//dimec.usach.cl/images/guias/79/E984/Ensayo_de_flexion.doc www.utp.co/~gcalle/Contenidos/f1exion.htm http://www.fing.uncu.edu.ar/catedras/industrial/cmateriales/archivos/materiales/TPFlex.pdf http://materiales.eia.edu.co/laboratorios/flexion.htm http://labrm.mecaest.etsii.upm.es/empresas/estudio8.htm

Practicas Resistencia 2011 -2012

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