Ensayo de Tracción de los Materiales""(Estático)

UNIVERSIDAD DON BOSCO
FACULTAD DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS
TÉCNICO EN INGENIERÍA MECÁNICA
CICLO - AÑO
II – 2015
Guía de Laboratorio N° 5
Nombre de la Práctica: “Ensayo Estático y Dinámico de los Materiales”
Lugar de Ejecución:
Taller de Mecánica y Taller de Soldadura
12 horas clase
Tiempo Estimado:
Materiales y sus Propiedades
Materia:
Docente:
Inga. María Eugenia Martínez Rodríguez
“Ensayo de Tracción de los Materiales""(Estático)
I. OBJETIVOS
Identificar el equipo de medición de tracción y aplique las cargas correspondientes para
realizar las pruebas de ensayo de tracción.
II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
El ensayo consiste en someter la probeta a esfuerzo axial aplicando tensiones cada vez
mayores, hasta alcanzar la rotura. Durante la realización del ensayo se registran la deformación
de la probeta y la carga aplicada, siendo dichos datos los empleados para la determinación de
los parámetros buscados.
PROBETAS, FORMA Y MEDIDAS
La forma y las medidas de las probetas dependen de los materiales y aplicaciones cuyas
características mecánicas se desean determinar. La probeta se obtendrá, generalmente, por
mecanizado de una muestra elaborada a partir del material de interés, también puede ser una
muestra moldeada. En el caso de productos de sección constante (perfiles, barras, alambres,
cables etc.) o de las muestras en forma de barras obtenidas por moldeo (por ejemplo: fundición
o aleaciones no férreas) se pueden utilizar como probetas las muestras sin mecanizar. La
sección recta transversal (parte calibrada) puede ser circular, cuadrada, rectangular, anular; y
en ciertos casos particulares, de otras formas.
1
Probetas mecanizadas: Las probetas mecanizadas deberán tener un radio de acuerdo suave
entre la parte calibrada y los extremos, ya que ambas partes son de diferente medida; esto
se hace con el propósito de disminuir la concentración de esfuerzos. Los extremos pueden ser
de cualquier forma que se adapte a los dispositivos de sujeción de la máquina de ensayo.
Dimensiones normalizadas de probetas cilíndricas normal y reducida, según norma ASTM E-8M
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DIAGRAMA DE ENSAYO DE TRACCIÓN
La siguiente figura muestra los cambios graduales que se efectuaron al aplicar tensión a la
probeta, se esquematiza el avance del ensayo comparando con la gráfica.
Donde:
E: Límite de elasticidad
P: Límite de proporcionalidad
B: Límite aparente de elasticidad o límite de fluencia
R: Límite de rotura
U: Rotura efectiva
3
EJERCICIO. Ensayo de tracción para un acero 1020 de 10mm de diámetro en probeta.
Carga (N)
Longitud
(mm)
Tensión (Ơ)
(N/mm2)
Alargamiento
unitario (ε)
Sección
(mm2)
0
50
0
0
78,5
12700
50,02
161,78344
0,0004
25400
50,05
38100
50,08
50800
50,1
76200
50,15
89100
50,2
92700
50,25
102500
50,38
107800
50,51
119400
50,76
128300
51,02
149700
52,03
159000
53,05
160400
53,56
159500
54,06
151500
54,08
124700
55,84
4
La sección hay que calcularla según la siguiente fórmula, donde hay que tener en cuenta el
diámetro de la probeta ya que se trata de un cilindro:
𝐷𝐷 2
10 2
𝑠𝑠 = 𝜋𝜋 ∗ 𝑅𝑅 = 𝜋𝜋 ∗ � � = 𝜋𝜋 ∗ � � = 78.5 𝑚𝑚𝑚𝑚2
2
2
2
La tensión generada se calcula dividiendo la carga aplicada entre la sección de la probeta:
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇ó𝑛𝑛 =
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 (𝑁𝑁)
𝑆𝑆 = 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆ó𝑛𝑛 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
Los datos que tenemos son longitud y tensión, a partir de los cuales sacamos el alargamiento
unitario que se obtiene a partir de la siguiente fórmula:
𝜀𝜀 =
�𝐿𝐿𝑓𝑓 − 𝑙𝑙𝑜𝑜 � ∆𝐿𝐿
=
𝑙𝑙𝑜𝑜
𝑙𝑙𝑜𝑜
Una vez que obtenemos el alargamiento unitario, representamos una gráfica de tensión frente
a alargamiento unitario(a):
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RESULTADOS DEL ENSAYO
La resistencia a la rotura por tracción se obtiene dividiendo la carga máxima de rotura por la
sección transversal inicial de la probeta.
𝜎𝜎𝐵𝐵 =
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅
𝑃𝑃
=
𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆ó𝑛𝑛 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑆𝑆
El alargamiento se calcula según:
𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 % =
Donde:
�𝐿𝐿𝑓𝑓 − 𝑙𝑙𝑜𝑜 � �100�
𝑙𝑙𝑜𝑜
La deformación total se determina como:
𝐿𝐿𝑓𝑓 = 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓
𝐿𝐿𝑜𝑜 = 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖
𝛿𝛿 = 𝐿𝐿𝑓𝑓 − 𝑙𝑙𝑜𝑜
La deformación unitaria se determina como:
𝐿𝐿𝑓𝑓 − 𝑙𝑙𝑜𝑜 𝛿𝛿
∈=
=
𝐿𝐿𝑜𝑜
𝐿𝐿𝑜𝑜
Donde:
𝐿𝐿𝑓𝑓 = 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓
𝐿𝐿𝑜𝑜 = 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖
El módulo de elasticidad o módulo de Young E se determina por:
𝐸𝐸 =
𝜎𝜎
∈
6
RESULTADOS DEL ENSAYO DE TRACCIÓN
Parámetro
Formulación
Resultado
Resistencia a la Rotura
% de Alargamiento
Deformación Total
Deformación Unitaria
Módulo de Elasticidad
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III. MATERIALES Y EQUIPO
Equipo del alumno:
Gabacha, gafas, herramienta personal, guía del alumno, cuaderno y lapicero (evitar llegar con
pulseras, collares o cadenas, anillos u otro objeto que pueda poner en riesgo su vida).
Equipo para las prácticas:
Material
•
•
•
•
•
Aluminio
Bronce
Hierro
Acero 1020
Acero 1045
Equipo
•
•
•
Máquina Universal de Ensayos de
tracción y accesorios para el ensayo.
Calibrador o Vernier.
Punzón
IV. PROCEDIMIENTO
•
Discusión de la guía práctica.
•
Realización de ensayos.
•
Tome las dimensiones iniciales de la probeta, de acuerdo con las especificaciones de la
misma en la norma ASTM E 8. Utilice el calibrador para tomar las mediciones.
•
PRECAUCION: ¡La Máquina Universal de Ensayos solo debe ser manejada por el
personal del laboratorio!
•
Se colocará la probeta en las mordazas de la máquina, asegurándose que la fijación
sea la correcta.
•
Se sujetará el extensómetro sobre la probeta y se colocará las escalas en la posición
inicial.
•
Se aplicará una carga a velocidad uniforme hasta alcanzar la ruptura.
•
Se generará un archivo de datos de Carga aplicada y desplazamiento.
•
Discusión de los resultados.
8
“Ensayo de Flexión de los Materiales" (Estático)
I. OBJETIVOS
Identificar el equipo de medición de flexión y
aplicar las cargas correspondientes para
realizar las pruebas de ensayo de flexión de los distintos materiales.
Analizar los comportamientos de los materiales homogéneos aplicando fuerzas sobre la viga
en el centro y aplicándolas también sobre sus tercios.
II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
HIPÓTESIS DE FLEXIÓN
1a. HHipótesis: Es un elemento sometido a flexión dentro del límite elástico, en el cual
se mantiene en un plano antes y después de la flexión.
2a. HHipótesis: TTodos los materiales son perfectamente homogéneos e isótropos((isotropía:
es la características de los materiales de tener las mismas propiedades en todas direcciónes
con un módulo elástico igual en tensión y compresión).
Cuando a un cuerpo se le aplica una carga y aparecen esfuerzos de compresión y tensión, se
dice que está sometido a flexión.
Si se tiene un elemento sobre el cual actúan unas fuerzas de tal manera que tiendan a inducir
esfuerzos compresivos sobre la parte superior y sobre la parte inferior esfuerzos tensivos o de
tensiópn de dicho elemento se comprenderá que está sometido a flexión.
Se deben analizar los esfuerzos máximos dentro del límite elástico.
Las dimensiones de la probeta son:
Se recomienda tener tener dos muestras con las fibras en distintas direcciones.
9
FALLAS EN FLEXIÓN
Para el hierro fundido y para el concreto simple las fallas que se presentan son siempre de
manera súbita.
Las fallas de vigas de concreto armado pueden ser:
1. Palla del acero, debido a los esfuerzos sobre el punto de cedencia resultante en las grietas
verticales sobre el lado tensado de la viga.
2. La falla del concreto en compresión que se presentan en las fibras mas alejadas del eje
neutro.
3. Las fallas del concreto por tensión diagonal debido a los esfuerzos cortantes excesivos que
resultan en la formación de grietas que descienden diagonalmente hacia las reacciones
tornándose frecuentemente horizontales justamente arriba del armado principal en las
vigas simples.
Las fallas en vigas de madera son:
1. Pueden fallar en compresión directa a la superficie cóncava.
2. Pueden romperse a tensión sobre la superficie convexa.
3. Pueden fallar por la flexión lateral de las fibras, actuando como columpio.
4. Pueden fallar por esfuerzo cortantes horizontales a lo largo de la fibra, cerca del eje neutro.
Este tipo de fallas es súbito, es muy común en la madera de tamaños estructurales de
((madera desecada).
5. Puede fallar en compresión perpendicular a la fibra en los puntos de carga concentrada.
PPROBLEMA
Se efectuó un ensayo de flexión en una viga de madera de pino con una longitud de 37.5 cm.,
de peralte de22.07 cm. y la huella de 4.86 cm. La distancia entre los apoyos es de 333cm. y
el módulo de elasticidad es de 1800 ksiKsi obteniéndo los siguientes resultados:
10
Datos:
b = 4.86 cm
d = 2.7 cm
L = 33 cm
E = 1800 ksi
Calcular:
a) MMomento de inercia a tensión.
b) MMomento flexionante para una carga concentrada.
c) Esfuerzo máximo.
d) Esfuerzo máximo en flexión.
e) DDeflexión máxima (flecha).
11
12
III. MATERIALES Y EQUIPO
Equipo del alumno:
Gabacha, gafas, tapones auditivos, mascarilla, herramienta personal, guía del alumno, cuaderno
y lapicero (evitar llegar con pulseras, collares o cadenas, anillos u otro objeto que pueda poner
en riesgo su vida).
Material
MMadera
Equipo
 MMáquina para ensayos de flexión.
 Calibrador.
IV. PROCEDIMIENTO

Discusión de la guía práctica.


Realización de ensayos de compresión.
Discusión de los resultados.
V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Realice un reporte escrito de los procesos que ejecutó en la práctica.
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________________________________________________________________________
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
Realice una tabla comparativa de los datos obtenidos de las pruebas de ensayos realizada.
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“Ensayo de Compresión de los Materiales" (Estático)"
I. OBJETIVOS
Identificar el equipo de medición de compresión y
aplicar las cargas correspondientes
para realizar las pruebas de ensayo de compresión de los distintos materiales.
II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
COMPRESIÓN
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Se considera columna corta cuando el grado de esbeltez es igual o menor a 2.
Se considera columna mediana cuando el grado de esbeltez es mayor de 2 y menor que 4.
Se considera columna esbelta cuando el grado de esbeltez es mayor a 8.
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16
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III. MATERIALES Y EQUIPO
Equipo del alumno:
Gabacha, gafas, tapones auditivos, mascarilla, herramienta personal, guía del alumno, cuaderno
y lapicero (evitar llegar con pulseras, collares o cadenas, anillos u otro objeto que pueda poner
en riesgo su vida).
Material
Equipo
Madera.
Nylon.
PVC.

Máquina para ensayo de compresión.

Calibrador.
IV. PROCEDIMIENTO

Discusión de la guía práctica.


Realización de ensayos de compresión.
Discusión de los resultados.
V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Realice un reporte escrito de los procesos que ejecuto en la práctica.
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
Realice una tabla comparativa de los datos obtenidos de las pruebas de ensayos
realizada.
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“Ensayo de Impacto de los Materiales" (Dinámico)
I. OBJETIVOS
Identificar el equipo de medición de impacto y aplique las cargas correspondientes para
realizar las pruebas de ensayo de impacto para distintos materiales.
II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
IMPACTO
Actualmente tenemos estructuras, equipos y maquinaria las cuales están sometidas a cargas
dinámicas que involucran además esfuerzos de impacto.
Un tipo de carga dinámica es aquella que se aplica súbitamente, como es el caso del impacto
de una masa en movimiento.
¿Qué ocurre al producirse un impacto?
Cuando un cuerpo a velocidad determinada golpea, se produce una transferencia de energía,
esta produce un trabajo en las partes que recibió el golpe.
La mecánica del impacto, además de abarcar los esfuerzos inducidos, toma en cuenta la
transferencia, absorción y la disipación de energía.
La energía de un golpe puede absorberse de la siguiente manera:
a) A través de la acción friccional de las partes.
b) A través de la deformación plástica de los miembros o partes del sistema.
c) A través de los efectos de inercia de las partes en movimiento.
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PROBETA PARA IMPACTO
Cuando se realizan ensayos de impacto con aceros de alto y mediano contenido de carbono,
se pueden emplear probetas sin ranura, debido a que se rompen con facilidad al recibir el golpe
porque son frágiles. Para lograr que se fracturen las probetas se recomienda se ranuren en la
forma siguiente:
a) Con entalladuras (muescas) en forma de “V” que se usa en probetas de materiales
fibrosos, dúctiles y algunos materiales frágiles.
b) La entalladura en forma de “U” se efectúa en materiales considerados de dureza
media o mayor.
c) La entalladura en forma de ojo de cerradura se efectúa en materiales sintéticos como
plásticos, acrílicos materiales poliméricos).
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El efecto de la ranura es conectar los esfuerzos en su raíz e inducir patrones de esfuerzos
axiales que limitan el flujo plástico e incrementan el límite elástico del material debido a que la
mayor parte de energía de ruptura es absorbida en una sola región de la pieza, originando una
fractura de tipo quebradiza.
La tendencia de un material dúctil es de comportarse como un material frágil, al romperse la
probeta ranurada, a esto se le denomina “sensibilidad de ranura de los materiales”.
ENSAYOS DE IMPACTO CHARPY E IZOD
Son los métodos más comúnmente usados, en ambos se emplea el péndulo y las probetas
ranuradas. La diferencia es que Charpy, la probeta la apoya en un yunque, como una viga
simplemente apoyada y en el método Izod, la probeta se coloca como una viga en cantiliver.
Generalmente las máquinas para ensayo de impacto utilizan los siguientes elementos:
𝑊𝑊 =peso del péndulo 19.31 kg
𝛼𝛼 = ángulo inicial (Charpy=160.5°)
(Izod= 80.3°)
𝛽𝛽 =ángulo de elevación
𝐻𝐻 =altura de caída del centro de gravedad
del péndulo
ℎ = altura de elevación del centro de
gravedad del péndulo
𝑅𝑅 = distancia del centro de gravedad del
péndulo a eje de rotación cero.
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El ensayo de impacto es de tipo dinámico en el cual se golpea y se puede llegar a la ruptura
mediante un golpe dado a una probeta seleccionada, la cual debe ser maquinada y pulida
superficialmente, usualmente ranurada. Por lo tanto la prueba de impacto se define como: la
energía necesaria para romper una barra prueba por una carga con impulso. Que no es otra
cosa que indicio de la tenacidad de un material sometido a la carga de choque.
También se define como el choque de dos materiales dejando en el material sometido a prueba
una huella.
Generalmente el ensayo de impacto se efectúa mediante el uso de una pieza que cae (se
conoce la masa de la pieza o de un péndulo oscilante o un votante rotatorio). En algunos
ensayos se produce la fractura con un solo golpe, en otros se emplean varios golpes.
Un péndulo pesado inicia con una altura (H), gira describiendo un arco golpeando a la probeta,
la rompe y continúa su giro alcanzando una elevación menor final (h).
Conociendo la posición inicial, la elevación final y el ángulo del péndulo se calcula la diferencia
de energía potencial; esta diferencia es la energía absorbida por la probeta durante su ruptura.
IMPACTO CHARPY
Cuando una estructura recibe un golpe a cierta velocidad genera una transferencia de energía
la cual puede ocasionar una rotura del material. En este caso los materiales deben ser
sometidos a pruebas de impacto para calcular su resistencia. De tal forma que el método
Charpy nos permite conocer la resistencia al impacto de un determinado material, el cual se
somete al impacto de la masa de un péndulo que golpea el material cuando este se encuentra
estático. Se toman ciertas lecturas las cuales se detallan a continuación para obtener el dato
que se necesita.
La fórmula que se emplea es:
Donde:
𝑬𝑬𝑬𝑬 = 𝒑𝒑 ∗ 𝒈𝒈 ∗ (𝒉𝒉 − 𝒉𝒉′ ))
h= longitud inicial del martillo o péndulo
h´= longitud final después del impacto contra la probeta
g= Constante de gravedad.
p= peso del martillo.
E= fuerza adsorbida por la probeta
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Los siguientes datos son resultado de la prueba de impacto para un acero 1045
Completar la siguiente tabla con los resultados de la prueba de impacto Charpy
Prueba 1
Prueba 2
Prueba 3
Prueba 1
Prueba 2
Prueba 3
h=
h´ =
g=
p=
E=
h=
h´ =
g=
p=
E=
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Completar la siguiente tabla con los resultados de la prueba de impacto Charpy
Prueba 1
Prueba 2
Prueba 3
Prueba 1
Prueba 2
Prueba 3
Prueba 1
Prueba 2
Prueba 3
h=
h´ =
g=
p=
E=
h=
h´ =
g=
p=
E=
h=
h´ =
g=
p=
E=
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III. MATERIALES Y EQUIPO
Equipo del alumno:
Gabacha, gafas, herramienta personal, guía del alumno, cuaderno y lapicero (evitar llegar con
pulseras, collares o cadenas, anillos u otro objeto que pueda poner en riesgo su vida).
Equipo para la práctica:
Material
•
Acero 1020
•
Bronce
•
Aluminio
•
PVC
Equipo
•
Máquina para Ensayos de Impacto
•
Calibrador o Vernier
•
Cinta métrica
IV. PROCEDIMIENTO
•
Discusión de la guía práctica.
•
Realización de ensayos Charpy.
•
Discusión de los resultados.
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