Guia Laboratorio

GUÍA DE PRÁCTICAS

Facultad de Ingeniería Mecánica

MECÁNICA DE MATERIALES II

Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones

SEMESTRE 2015 - B

Escuela Politécnica Nacional

Guía de Prácticas Mecánica de Materiales II Facultad de Ingeniería Mecánica

Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones 09/04/2015

II

Guía de Prácticas Mecánica de Materiales II

Salvatore Reina Jefe de Laboratorio

Jonathan Castro Técnico Docente

Byron Freire B Edición y diseño

Guía de Prácticas Mecánica de Materiales II Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones

Primera edición 2015

Impreso y Hecho en Ecuador

III


PRESENTACIÓN

Para la certificación de materiales en la industria es indispensable realizar varios tipos de ensayos mecánicos como ensayos de tracción, compresión, flexión, corte, fatiga, etc. Para realizar los ensayos mecánicos mencionados es necesario contar con las máquinas y equipos adecuados.

En este Folleto Guía de Prácticas de Laboratorio se encuentran algunos de los ensayos que más se solicitan en el Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones, donde se detallan los equipos, materiales y procedimientos a seguir para la caracterización de materiales metálicos y no metálicos utilizados en la industria.

Además en las prácticas de laboratorio, en cada ensayo a realizarse se especifican las normas utilizadas. El estudiante debe consultarlas para conocer los parámetros de los ensayos y los criterios de aceptación de los materiales.

IV


ÍNDICE

PRESENTACIÓN .......................................................................................................................................................... III ÍNDICE .......................................................................................................................................................................... IV NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LAEV ...................................................................................................................... 1 GUÍA PARA LA REALIZACIÓN DE INFORMES............................................................................................................ 3 FORMATO DE PRESENTACIÓN DE INFORMES ......................................................................................................... 6 ENSAYOS DE MATERIALES ........................................................................................................................................ 7 1

ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS METÁLICAS DE SECCIÓN CIRCULAR Y RECTANGULAR ............ 9

2

ENSAYO DE COMPRESIÓN EN PROBETAS DE ACERO Y MADERA ............................................................ 15

3

ENSAYO DE CORTE EN PROBETAS DE VARILLA LISA Y DE MADERA ....................................................... 19

4

ENSAYO DE FLEXIÓN EN PROBETAS DE PERFILES DE ACERO DE SECCIÓN TRANSVERSAL C ........... 22

5

ENSAYO DE ESTABILIDAD EN PROBETAS DE VARILLAS DE ACERO CORRUGADO ................................ 25

6

ANÁLISIS DE VIBRACIONES LIBRES EN UN SISTEMA DE UN GRADO DE LIBERTAD ............................... 29

7

ANÁLISIS DE VIBRACIONES FORZADAS EN UN SISTEMA DE UN GRADO DE LIBERTAD ......................... 35

8

APLICACIÓN DE LA NORMA AWS D1.1 EN LA CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA . 40

9

CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE MATERIALES COMPUESTOS .............................................................. 44

10

ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS DE VARILLAS DE ACERO CORRUGADO ..................................... 55

11

ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS DE ACERO TEMPLADO ................................................................. 60

12

ENSAYO DE TRACCIÓN Y DUREZA BRINELL EN PROBETAS DE FUNDICIÓN DE HIERRO GRIS.............. 65

13

ENSAYO DE PROBETAS EN MATERIALES COMPUESTOS EN MATRIZ POLIMÉRICA ................................ 71

14

ENSAYO DE CORTE SIMPLE EN UNA JUNTA EMPERNADA ......................................................................... 76

15

ENSAYO DE FLEXIÓN EN PROBETAS DE PERFIL DE ACERO CONFORMADO EN CALIENTE CON

SECCIÓN TRANSVERSAL EN L ................................................................................................................................. 78 16

ENSAYO DE FLEXIÓN EN PROBETAS DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA .......... 81

17

ENSAYO DE IMPACTO IZOD EN PROBETAS DE MATERIALES COMPUESTOS .......................................... 84

NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LAEV

NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LAEV PROTECCIÓN PERSONAL DURANTE SU PERMANENCIA EN EL LAEV 

Será obligatorio el uso de mandil de trabajo u overol al momento de realizar ensayos mecánicos.



No utilice prendas que puedan ser atrapadas por partes de máquinas en movimiento, utilice prendas cerradas. Son ejemplos de lo que no debe usar: camisas muy amplias y sueltas, pantalones excesivamente largos, mangas sueltas.



Sera obligatorio el uso de guantes de seguridad.



El uso de máscaras de respiración y guantes de vinyl, es imprescindible en algunos tipos de ensayos que se trabaje con líquidos corrosivos.



Es obligatorio el uso de protectores auditivos en caso de realizar tareas muy ruidosas.



Si se salpica en los ojos con algún producto extraño, químico, limalla, enjuague inmediatamente los ojos con abundante agua corriente.

CONDUCTAS QUE DEBEN APLICARSE SIEMPRE 

Usar los equipos y/o elementos de seguridad que se indican en cada zona del Laboratorio.



Realizar las tareas de modo tal de no exponerse innecesariamente al peligro ni exponer a sus compañeros.



Comunicar a su superior inmediato cualquier condición que pudiera poner en peligro su seguridad y la de sus compañeros.



Si usted o alguno de sus compañeros ha sufrido cualquier tipo de lesión durante la realización de sus tareas, informe de inmediato al Jefe del Laboratorio.



Solicitar equipo de protección adecuado de acuerdo al tipo de ensayo que va a realizar.



Participe en reuniones acerca de seguridad industrial y salud ocupacional, y contribuya colaborando con sus compañeros menos experimentados.

1

2


USTED NO DEBE 

Ingresar al Laboratorio con armas, bebidas alcohólicas, drogas, estupefacientes o medicamentos sin la debida prescripción médica.



Asistir al Laboratorio en estado de ebriedad.



Fumar o hacer fuego dentro del Laboratorio.



Gritar o correr, salvo en caso de urgencias graves que lo justifique.



Dormir o jugar en horario de las prácticas de laboratorio.

GUÍA PARA LA REALIZACIÓN DE INFORMES

GUÍA PARA LA REALIZACIÓN DE INFORMES 1. Número y Título de la Práctica Será determinado por el profesor guía o por el ayudante del laboratorio. 2. Grupo Colocar el número de grupo. 2.1. Integrantes Nombre completo de cada uno de los integrantes, debe incluirse el número de cédula frente a cada nombre y el paralelo al que pertenece. 3. Objetivos Debe contener los objetivos de la práctica redactados en prosa, incluir objetivos propios para cada práctica.

4. Resumen Es una síntesis del trabajo escrito, en la cual se incluye qué es lo que se está estudiando y, en qué orden va a aparecer en el documento, incluyendo las normas utilizadas (de ser el caso). [Máximo media página] 5. Abstract El mismo resumen pero escrito en inglés, no necesita ser una traducción literal, sino la interpretación del resumen en español. [Máximo media página]

6. Revisión teórica Consiste en los aspectos teóricos necesarios para el desarrollo de la práctica y la elaboración del informe. Toda la información debe ser citada y consultada de libros actuales, artículos científicos caso contrario se considerará plagio del informe. No se acepta contenido de sitios web como Wikipedia.com. 7. Materiales y Equipos 7.1.

Materiales

Se considera como materiales a las probetas o elementos que van a ser ensayados. Colocar una breve descripción y gráficos de los materiales con sus respectivas dimensiones según la norma utilizada.

3

4


7.2.

Equipos

Son las máquinas eléctricas y/o mecánicas y herramientas que se han utilizado en el ensayo. Colocar una breve descripción. 8. Procedimiento El procedimiento debe ser redactado en forma de numerales para cada paso del ensayo o los ensayos realizados. Si existen pasos previos al ensayo en sí, éstos también deberán constar en el acápite de procedimientos. Se debe añadir fotografías.

9. Datos Obtenidos En este punto constan los datos obtenidos en la práctica. 10. Cálculos Este punto consta de dos partes: la parte numérica, en la cual se realizan todos los cálculos pertinentes y tablas correspondientes al ensayo; la parte gráfica, en la que se esquematizan los resultados numéricos (gráficos o fotografías).

En caso que exista una gran cantidad de cálculos se incluirá únicamente el ejemplo de cálculo. 11. Análisis de Resultados Este es un paso fundamental en el informe a través del cual se justifican los resultados obtenidos y se correlacionan con lo que plantea la teoría. 12. Preguntas Se contestan las preguntas pertinentes colocadas en la guía de práctica, o las preguntas mencionadas durante la realización de la práctica.

13. Conclusiones Incluyen observaciones propias sobre qué sucedió, por qué sucedió y cómo se podría evitar o mejorar ciertos aspectos de la práctica; ya sea en la preparación de materiales, utilización de equipos o procedimientos. Las conclusiones son individuales

14. Referencias

GUÍA PARA LA REALIZACIÓN DE INFORMES

Las consultas se realizarán en libros actuales, artículos científicos claramente especificados con formato ISO 690.

No se aceptarán consultas de páginas como www.wikipedia.com. 15. Apéndice Incluirlo si fuese necesario.

5

6


FORMATO DE PRESENTACIÓN DE INFORMES Tipo de fuente:

Verdana

Tamaño de la fuente:

10 puntos

Márgenes:

Superior:

3,0 cm

Inferior:

2,5 cm

Izquierdo:

3,0 cm

Derecho:

2,5 cm

Interlineado:

Sencillo

Espaciado:

Anterior:

10 pto

Posterior:

0 pto

Sangría: Tablas:

Primera línea en 1,0 Deberán ser numeradas con “Tabla ##.” y con su respectivo título. La numeración se ubicará en la parte superior de la tabla.

Figuras:

Deberán ser numeradas con “Fig. ##.” y con su respectivo título. La numeración se ubicará en la parte inferior de la figura.

Ecuaciones: Las ecuaciones se deben escribir centradas dejando un renglón vacío arriba y debajo de las mismas. Las ecuaciones deben estar numeradas. Encabezado:

Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica

Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones Laboratorio de Mecánica de Materiales II (El encabezado solo irá en la primera página) Pie de página:

(margen derecho) Página (i) de (n)

ENSAYOS DE MATERIALES

ENSAYOS DE MATERIALES Una de las principales ramas de la ingeniería es el estudio de las características de los materiales y sus posibles aplicaciones. Justamente para llevar a cabo esta actividad es de vital importancia poder obtener las propiedades mecánicas de los materiales utilizados en sistemas estructurales y mecánicos, lo cual puede ser determinado mediante ensayos destructivos que pongan en evidencia la característica que se desea comprobar.

Imagen 0.1 Ensayo de tracción en el LAEV. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

El ensayo de materiales consiste en tomar un número de muestras preferiblemente normalizadas de un material y realizar la cantidad necesaria de pruebas para caracterizar el comportamiento del mismo ante circunstancias simuladas. Dichas pruebas deben realizarse en el equipo adecuado, si es que se desea que tengan validez alguna, razón por la cual es importante conocer de antemano varias características de los ensayos a realizar.

En el Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones se realizan ensayos mecánicos normalizados y no normalizados de materiales y funcionales.

Normalizados No normalizados De materiales

Funcionales Figura 0.1 Tipos de ensayos de materiales que se realizan en el LAEV.

7

8


Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

En la figura 3 se presenta la clasificación general de los ensayos mecánicos y sus variaciones. Clasificación de los ensayos mecánicos

Según el estado del material a ensayar

Según el campo de estudio

Según el método de ensayo

Según las condiciones ambientales del ensayo

Materias primas

Ensayos científicos

Ensayos no destructivos

Condiciones ambientales normales

Materiales primarios

Ensayos tecnológicos

Ensayos destructivos

Bajas temperaturas

Altas temperaturas CLASIFICACIÓN SEGÚN LA NORMA DE APLICACIÓN DE LAS CARGAS

Bajo campos magnéticos, eléctricos, de radiación, etc.

Figura 0.2 Clasificación de los ensayos mecánicos. Fuente: DAVIS (1975), “Ensayos e inspección de materiales en ingeniería”.

Las máquinas hidráulicas universales de ensayos marca Tinius Olsen del LAEV fueron calibradas en el año 2012 y están dentro de la clase I, de acuerdo con los requerimientos de la norma ISO 17025.

ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS METÁLICAS DE SECCIÓN CIRCULAR Y RECTANGULAR

1 ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS METÁLICAS DE SECCIÓN CIRCULAR Y RECTANGULAR 1.1

OBJETIVOS



Evaluar las propiedades mecánicas del acero y sus formas de falla.



Estudiar el comportamiento del acero en sus diferentes zonas, hasta alcanzar la falla.



Trazar la curva esfuerzo – deformación unitaria para el las probetas ensayadas e identificar las zonas más representativas en dicha curva.

1.2

REVISIÓN TEÓRICA

Se denomina tracción al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. La carga aplicada es perpendicular a la superficie de aplicación, además apunta hacia el exterior del elemento. Por convención se toma con signo positivo los esfuerzos de tracción ya que estos apuntan hacia el exterior del elemento.

Imagen 1.1 Probeta circular sometida a tracción Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

El efecto de tracción se presenta directamente en elementos como tensores. En un material linealmente elástico se cumple la ley del Hooke para tracción – compresión, expresada mediante la ecuación:  = E, donde E es el módulo de elasticidad para tracción-compresión,  es la deformación unitaria y  es el esfuerzo normal de tracción. En el ensayo de tracción se mide la variación del alargamiento (L) y la carga aplicada (F).

9

10


Imagen 1.2 Probeta plana sometida a tracción. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

La curva esfuerzo - deformación, muestra lo que sucede en el material. Por ejemplo en el caso de un material dúctil sometido a tensión este sufre estricción localizada durante la última fase del ensayo y la carga requerida para la deformación disminuye debido a la disminución del área transversal, además la tensión basada en la sección inicial disminuye también produciéndose como consecuencia un descenso de la curva Esfuerzo - Deformación después de la carga máxima, el material continúa endureciéndose por deformación hasta producirse la fractura.

Figura 1.1 Zonas de la curva esfuerzo – porcentaje de deformación de materiales metálicos. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

1.3

NORMAS

Las normas más utilizadas para ensayos de tracción en materiales metálicos son: 

ASTM E8 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials

ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS METÁLICAS DE SECCIÓN CIRCULAR Y RECTANGULAR 

ASTM A48 Standard Specification for Gray Iron Castings



ASTM A370 Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products

1.4

MATERIALES Y EQUIPOS

1.4.1 

Probeta normalizada de acero de sección circular (ASTM E8)



Probeta normalizada de acero de sección rectangular (ASTM A370)

1.4.2

1.5

MATERIALES

EQUIPOS



Máquina universal de ensayos



Calibrador digital



Marcador

PROCEDIMIENTO

1. Verificar la calidad de los acabados y superficie de las probetas. 2. Marcar en las probetas los puntos para la medición de la elongación en 50 mm. 3. Medir las dimensiones: 

Probeta de sección circular: tomar tres medidas de largo y diámetro de la probeta con un calibrador.



Probeta de sección rectangular: tomar tres medidas de largo y ancho de la probeta con un calibrador.

4. Comprobar las dimensiones de las probetas con las requeridas en las normas utilizadas. 5. Colocar las mordazas correspondientes para cada tipo de probeta en la máquina universal de ensayos (Tipo cuña o circulares). 6. Determinar la velocidad de carga según los requerimientos de la norma. 7. Encender la máquina universal de ensayos. 8. Establecer la plantilla con la que se va a trabajar en el ensayo. Para este caso se encuentra creada una en la memoria del programa TEST NAVIGATOR con el nombre “ASTM_E8_TRACCIÓN”. 9. Verificar que la máquina se encuentre en su posición inicial (Return) y colocar la probeta en las mordazas. 10. Encerar la carga en la máquina universal de ensayos. 11. Iniciar el ensayo. 12. Observar la fluencia del acero, y el encuellamiento de la probeta.

11

12


13. Observar el tipo de falla de la probeta. 14. Obtener del software de la máquina universal de ensayos las lecturas de deformación y carga. 15. Medir la longitud final entre las marcas realizadas en la probeta. 16. Comparar los resultados obtenidos con las normas de los materiales ensayados.

1.6

PREPARACIÓN DEL INFORME

1.6.1

TABLA DE DATOS

Los valores instantáneos de carga y deformación se obtienen directamente del software de la máquina universal de ensayos. Tabla 1.1 Datos de carga y longitudes entre las marcas.

Probeta

Longitud inicial mm

Longitud final mm

Carga de Fluencia lbf

Carga máxima lbf

Carga de Rotura lbf

Sección circular Sección rectangular

1.6.2

CÁLCULOS:

1. Para el ensayo en las probetas de sección circular y rectangular. 1. Propiedades mecánicas de cada probeta 2. Velocidad de carga 3. Tabla Cargas vs. Deformaciones lineales (P vs Dl) 4. Curva (P vs Dl) 5. Tabla Esfuerzos vs. Deformación unitaria (s vs e) 6. Curva (s vs e) identificando los principales puntos de la curva a. Módulo de Elasticidad (E) b. Esfuerzo de fluencia (sy) c. Resistencia a la tracción (su) d. Porcentaje de elongación en 50 mm 7. Módulo de resiliencia 8. Módulo de tenacidad 1.6.3

TABLAS DE RESULTADOS

1. Ensayo de tracción en probeta de sección circular

ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS METÁLICAS DE SECCIÓN CIRCULAR Y RECTANGULAR Tabla 1.2 Resistencia a la tracción, límite de fluencia y porcentaje de elongación.

Carga Ancho Espesor máxima Id. promedio promedio registrada mm

mm

lbf

N

Límite de fluencia

Resistencia % a la Elongación Calificación tracción en 50 mm ksi MPa ksi MPa

2. Ensayo de tracción en probeta de sección rectangular Tabla 1.3 Resistencia a la tracción, límite de fluencia y porcentaje de elongación.

Carga Diámetro máxima Id. promedio registrada

mm

1.7

lbf

N

Límite de fluencia

Resistencia % a la Elongación Calificación tracción en 50 mm

ksi MPa ksi

MPa

PREGUNTAS SOBRE LA PRÁCTICA

1. Elaborar un esquema de las dimensiones de las probetas ensayadas y compararlo con el esquema propuesto en las normas. 2. Si el porcentaje de elongación del material se determina en longitudes mayores a 2 pulgadas. ¿Este será mayor, menor o igual? 3. ¿Qué información aportan las líneas de Lüder? 4. ¿Qué método se utiliza para determinar el esfuerzo de fluencia, cuando no se puede apreciar directamente en el ensayo? 5. ¿Cómo diferenciar los tipos de falla dúctil y frágil en el ensayo de tracción?, y ¿Cuáles son las fracturas típicas por tensión en los metales? 6. Comparar el comportamiento de materiales frágiles y dúctiles sometidos tracción. 7. ¿Cómo es el diagrama real esfuerzo-deformación unitaria, y cuál es la diferencia con el diagrama ingenieril? 8. ¿Qué dispositivos de montaje se usaron en esta práctica? 9. ¿Por qué es indispensable que las probetas tengan las dimensiones propuestas por la norma utilizada? 10. Comparar las curvas esfuerzo – deformación unitaria para materiales metálicos y poliméricos (explique mediante gráficos). 11. ¿Existe un cambio de propiedades mecánicas de la probeta después de ser sometida a tracción? 12. ¿Interviene en los resultados el acabado superficial de la probeta?

13

14


1.8

REFERENCIAS

 ASTM, “ASTM A370-10: Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products”.  ASTM, “ASTM E6-09b: Standard Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing”.  ASTM, “ASTM E8-09: Standard Methods for Tension Testing of Metallic Materials”.

ENSAYO DE COMPRESIÓN EN PROBETAS DE ACERO Y MADERA

2 ENSAYO DE COMPRESIÓN EN PROBETAS DE ACERO Y MADERA 2.1

OBJETIVOS



Determinar la resistencia de los materiales ensayados a cargas de compresión.



Calcular el coeficiente de Poisson.



Analizar los tipos de falla observados en los diferentes ensayos.



Identificar el comportamiento frágil o dúctil de los materiales.

2.2

REVISIÓN TEÓRICA

En el campo de la ingeniería se presentan comúnmente, materiales cuyas propiedades son diferentes en tracción y en compresión. En otras palabras, el material es anisotrópico. Casos de este tipo son el hormigón y la madera, por mencionar algunos. Este es uno de los justificativos, por los cuales el ensayo de compresión es muy importante en ese tipo de materiales.

Imagen 2.1 Probeta de madera sometida a compresión. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

Otra aplicación importante del ensayo de compresión es la determinación del coeficiente de Poisson, el cual da una idea de la variación de las dimensiones de una probeta ante cargas axiales.

15

16


Imagen 2.2 Probeta de pieza dentaria sometida a compresión. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

Este ensayo se realiza para determinar las propiedades mecánicas de algunos materiales sometidos a compresión y mediante la prueba se deben obtener datos para la construcción del gráfico de esfuerzo contra deformación unitaria. Por medio de dicho diagrama se determinan los límites de proporcionalidad (elasticidad), fluencia y la resistencia del material sometido a compresión.

Imagen 2.3 Curva carga – deformación para probetas de acero y madera. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

2.3

NORMAS 

ASTM D143-09 Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber.



ASTM E9-09 Standard Test Methods of Compression Testing of Metallic Materials at Room Temperature.

2.4


2.4.1

MATERIALES

1. Probeta de acero para ensayo de compresión. 2. Probeta de madera según norma ASTM D143

ENSAYO DE COMPRESIÓN EN PROBETAS DE ACERO Y MADERA

2.4.2

EQUIPOS

1. Máquina universal de ensayos 2. Calibrador digital

2.5

PROCEDIMIENTO

1. Para la probeta de madera 1.

Determinar la velocidad de carga según la norma.

2.

Medir las dimensiones: largo, ancho y profundidad de la probeta con un calibrador.

3.

Colocar el cabezal de compresión en la máquina universal.

4.

Ubicar la probeta en el marco de carga.

5.

Tomar las lecturas de carga de acuerdo a la tabla adjunta.

6.

Observar la forma de falla y buscarla en la norma.

2. Para las probetas de acero 1.

2.6 2.6.1

Seguir los pasos anteriores excepto el numeral 4.

PREPARACIÓN DEL INFORME TABLA DE DATOS

En la tabla 2.1 se presentan los datos de carga registrados en el ensayo y las dimensiones de las probetas utilizadas. Tabla 2.1 Datos de carga y dimensiones

MATERIALES

MADERA

ACERO

Base (mm) Dimensiones de Altura (mm) la probeta Profundidad (mm) Carga máxima registrada (lbf)

2.6.2

CÁLCULOS Tabla 2.2 Resumen de los cálculos

MATERIALES Resistencia a la compresión (MPa)

MADERA

--------

(Materiales frágiles) Esfuerzo de compresión (MPa) (Materiales maleables)

ACERO

--------

17

18


1. Cálculo del coeficiente de Poisson 2. Cálculo de la deformación volumétrica del acero 3. Esquema de falla de la madera

2.7

PREGUNTAS

1. ¿De qué forma se relaciona el módulo de Young (E) con el módulo de elasticidad en corte (G)? 2. ¿Hay alguna diferencia (en cuanto a los resultados esperados) en realizar el ensayo en probetas normalizadas o en probetas no normalizadas? 3. En el caso de la probeta de acero ¿es posible identificar la carga de fluencia? Explique. 4. ¿Cómo es un material anisotrópico, uno isotrópico y uno homogéneo? Cite diferencias 5. En el ensayo de compresión en madera ¿hay alguna diferencia en realizar el ensayo en la dirección paralela o perpendicular a la fibra? 6. De acuerdo con la norma ASTM D143, ¿Qué tipo de falla se presentó en la probeta de madera? 7. ¿Cuáles son los valores teóricos para el coeficiente de Poisson para el acero? ¿Por qué se observa la diferencia entre los valores teóricos y experimentales? 8. Cuál es el ángulo del plano de falla del material frágil (madera) ¿Es éste ángulo 45º? ¿Por qué?

2.8

REFERENCIAS

 ASTM, “ASTM D143-09: Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber”.  ASTM, “ASTM E9-09: Standard Test Methods of Compression Testing of Metallic Materials at Room Temperature”.

ENSAYO DE CORTE EN PROBETAS DE VARILLA LISA Y DE MADERA

3 ENSAYO DE CORTE EN PROBETAS DE VARILLA LISA Y DE MADERA 3.1 

OBJETIVO Someter a un elemento a cargas hasta provocar su rotura para visualizar y comprobar el efecto de los esfuerzos cortantes.



3.2

Identificar el tipo de falla a cortante en los diferentes elementos ensayados.

REVISIÓN TEÓRICA

El efecto de corte o cizalladura se presenta en los elementos mecánicos cuando la carga aplicada es tangencial o paralela a la superficie de aplicación, generándose en esta, esfuerzos cortantes (). En muchos elementos mecánicos tales como remaches, juntas soldadas, pernos, etc., el efecto de corte aparece en forma directa y de manera indirecta cuando el elemento es sometido a tensión, torsión y flexión.

Imagen 3.1 Corte simple en varillas lisas. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

En un material linealmente elástico se cumple la ley del Hooke en cortante, que se puede expresar así:  = G, donde G es el módulo de elasticidad a cortante (módulo de rigidez),  es la deformación angular unitaria y  es el esfuerzo cortante.

Figura 3.1 Curva esfuerzo – deformación ensayo de corte. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones

19

20


3.3

NORMA 

ASTM D143-09 Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber.

3.4


3.4.1

MATERIALES

1. Varilla lisa Ø = 14 mm 2. Probeta de madera según norma ASTM D143. 3.4.2

EQUIPOS

1. Máquina universal de ensayos. 2. Calibrador. 3. Equipo Johnson. 4. Equipo para ensayo de corte en madera.

3.5

PROCEDIMIENTO

1. Ensayo de corte en varillas lisas. 1.

Verificar la calidad e imperfecciones de la varilla.

2.

Medir las dimensiones de la varilla.

3.

Colocar la varilla en la el equipo Johnson.

4.

Colocar el conjunto en la máquina universal de ensayos.

5.

Ubicar el dado de compresión sobre la varilla, de tal modo que éste quede en contacto simultáneo con el plato de compresión de la máquina universal.

6.

Empezar el proceso de carga.

7.

Observar la falla en la probeta.

2. Ensayo de corte en probetas de madera. 1.

Verificar la calidad e imperfecciones de la varilla.

2.

Medir las dimensiones de la probeta.

3.

Comparar las dimensiones de la probeta con las requeridas en la norma.

4.

Determinar la velocidad de carga según la norma.

5.

Colocar la probeta en el equipo para ensayos de corte en madera

6.

Empezar el proceso de carga.

7.

Observar la falla en la probeta.

ENSAYO DE CORTE EN PROBETAS DE VARILLA LISA Y DE MADERA

3.6


3.6.1

DATOS OBTENIDOS 1. Velocidad de carga para los ensayos. 2. Carga de cortante simple y doble en las varillas. 3. Carga de corte en la madera.

3.6.2

CÁLCULOS 1. Esfuerzos cortantes máximos en la varilla. 2. Esquemas donde debe constar el área de corte para las probetas.

3.7

PREGUNTAS

1. ¿Es la carga registrada por cortante simple la mitad de la carga por cortante doble? Justifique. 2. Diagramas de fuerza cortante para el ensayo de la varilla. 3. ¿La velocidad de carga influye en la forma de falla de las probetas?

3.8

REFERENCIAS

 ASTM, “ASTM D143-09: Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber”.

21

ENSAYO DE FLEXIÓN EN PROBETAS DE PERFILES DE ACERO DE SECCIÓN TRANSVERSAL C

4 ENSAYO DE FLEXIÓN EN PROBETAS DE PERFILES DE ACERO DE SECCIÓN TRANSVERSAL C 4.1

OBJETIVO



Determinar el módulo de elasticidad (E) de los perfiles ensayados.



Observar el comportamiento de los elementos sometidos a flexión asimétrica.



Observar el efecto de la torsión en los perfiles ensayados.

4.2

REVISIÓN TEÓRICA

Cuando un elemento está sometido a cargas perpendiculares a su eje longitudinal, este elemento trabaja a flexión. Mediante los diagramas de fuerzas (cortantes y momentos), se puede conocer el estado de esfuerzos de cada sección del elemento y, a través de las relaciones diferenciales entre momento y deflexión es posible determinar la deformación por flexión de cualquier punto de la viga. El momento que provoca la flexión se denomina momento flector.

Imagen 4.1 Elemento sometido a flexión pura. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

En el presente ensayo se utilizará la teoría de la flexión en elementos simétricos para determinar el módulo de elasticidad de dos perfiles de acero.

22

ENSAYO DE FLEXIÓN EN PROBETAS DE PERFILES DE ACERO DE SECCIÓN TRANSVERSAL C

Figura 4.1 Curva carga – deformación de un elemento sometido a flexión. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

4.3

NORMAS 

ASTM E290-09 Standard Test Methods for Bend Testing of material for Ductility.



ISO 7438: 2005 Metallic materials - Bend test

4.4


4.4.1

MATERIALES

1. Viga de acero de sección C. 4.4.2

EQUIPOS

1. Máquina universal de ensayos 2. Calibrador 3. Equipo para flexión 4. Deformímetro

4.5

PROCEDIMIENTO

1. Limpiar la superficie de la probeta. 2. Tomar las dimensiones de la secciones de la viga. 3. Colocar la probeta sobre los apoyos del equipo de flexión. 4. Ubicar el conjunto en el marco de carga de la máquina universal. 5. Colocar el plato de compresión en el cabezal fijo de la máquina. 6. Encender la máquina universal de ensayos. 7. Verificar que la máquina se encuentre en su posición inicial (Return) y colocar la probeta en las mordazas.

23

24


8. Encerar la carga en la máquina universal de ensayos. 9. Iniciar el ensayo. 10. Aplicar la carga puntual en el centro del vano de la viga. 11. Tomar lecturas de deformación cada 100 lbf hasta 500 lbs. 12. Observar las diferencias de deformación en las dos posiciones ensayadas para el perfil.

4.6


4.6.1

DATOS OBTENIDOS

1. Velocidad de carga. 2. Carga máxima. 3. Deflexión máxima. 4.6.2

CÁLCULOS

1. Diagrama de cuerpo libre del perfil ensayado. 2. Diagramas de corte y momento 3. Cálculo del módulo de elasticidad para los perfiles ensayados.

4.7

PREGUNTAS

1. ¿Afectan las deformaciones por torsión al cálculo del módulo de elasticidad de la viga? 2. Esquema de distribución de esfuerzos de flexión en la sección de las vigas. 3. Esfuerzos cortantes desarrollados en la sección de la viga.

4.8

BIBLIOGRAFÍA

 ASTM, “ASTM E290-09: Standard Test Methods for Bend Testing of material for Ductility”.

ENSAYO DE ESTABILIDAD EN PROBETAS DE VARILLAS DE ACERO CORRUGADO

5 ENSAYO DE ESTABILIDAD EN PROBETAS DE VARILLAS DE ACERO CORRUGADO 5.1 

OBJETIVOS Familiarizar al estudiante con las fórmulas y tablas de diseño en acero del manual AISC.



Determinar el esfuerzo crítico de Euler para columnas con diferentes condiciones de apoyo.



5.2

Determinar las diferencias entre el pandeo elástico e inelástico.

REVISIÓN TEÓRICA

Los miembros cortos sujetos a cargas de compresión pueden ser considerados únicamente con carga axial, esto es 𝜎 = 𝐹⁄𝐴. Cuando un miembro corto está cargado excéntricamente con cargas de compresión los esfuerzos actuantes en él pueden ser calculados como 𝜎 = 𝐹⁄𝐴 ±

𝑀𝑦⁄ 𝐼. En ambos casos, los resultados obtenidos son

razonablemente sensatos.

Imagen 5.1 Columna sometida a cargas axiales de compresión. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

Para elementos relativamente largos en compresión, los efectos de flexión son muchos mayores y requieren de un estudio particular. El fenómeno de flexo-compresión se llama pandeo y es importante en el análisis de elementos estructurales como columnas.

25

26


Figura 5.1 Apoyos para columnas sometidas a cargas axiales de compresión.

La falla de un elemento en flexo-compresión, está caracterizada por una deformación súbita. Esta acción, combinada con otros efectos inciertos que contribuyen a la falla, hace difícil calcular el estado actual de esfuerzos desarrollados en el material de la columna. Debido a esos problemas, se han desarrollado fórmulas de diseño de columnas (AISC para el acero), para encontrar las cargas axiales máximas y relacionar estas cargas a la forma y tamaño de la columna y a las propiedades del material.

Figura 5.2 Curva carga – deformación de una columna sometida a cargas axiales de compresión. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

5.3

NORMAS

5.4


5.4.1

MATERIALES

1. 3 probetas de varillas de acero de diferente diámetro nominal. 5.4.2

EQUIPOS

1. Máquina universal de ensayos 2. Calibrador digital

ENSAYO DE ESTABILIDAD EN PROBETAS DE VARILLAS DE ACERO CORRUGADO

5.5

PROCEDIMIENTO

1. Tomar las dimensiones de las diferentes probetas. 2. Colocar la probeta en el marco de carga de la máquina universal de ensayos. 3. Determinar la velocidad de carga. 4. Cargar la probeta hasta que se alcance la carga crítica. 5. Observar la deformación de la probeta. 6. Continuar el proceso de carga y observar la deformación inelástica.

5.6


5.6.1

DATOS OBTENIDOS

1. Velocidad de carga. 2. Carga máxima. 3. Deflexión máxima. 5.6.2

CÁLCULOS

1. Determinación del factor de longitud efectiva. 2. Esfuerzos críticos de Euler. 3. Trazar las curvas de diseño del AISC con las ecuaciones indicadas:

Si

𝐾.𝐿 𝑟

Si

𝐹𝑦

𝐸 𝐹𝑦

≤ 4,71√

𝐾.𝐿 𝑟

𝐹𝑐𝑟 = (0,658 𝐹𝑒 )𝐹𝑦 𝐸

> 4,71√𝐹

𝐹𝑐𝑟 = 0,877𝐹𝑒

𝑦

𝜋2𝐸

𝐹𝑒 =

𝐾.𝐿 2 ) 𝑟

( Donde:

E= Módulo de elasticidad del material Fy= Esfuerzo de fluencia del material Fe= Esfuerzo crítico de Euler Fcr= Esfuerzo crítico del AISC K= Factor de longitud efectiva L= longitud del elemento r= Radio de giro de la sección

4. Ubicar los esfuerzos calculados en la gráfica del AISC 5. Cálculos indicados durante el ensayo.

27

28


5.7

PREGUNTAS

1. ¿Se logró reproducir las condiciones ideales durante el ensayo? 2. ¿Qué parámetro determina si una columna es corta, esbelta o larga? ¿Qué valores debe tomar éste parámetro? 3. Calcule la dispersión con relación a la curva ideal de carga vs. esbeltez.

5.8

REFERENCIAS

 AISC Steel Construction Manual 13th.

ANÁLISIS DE VIBRACIONES LIBRES EN UN SISTEMA DE UN GRADO DE LIBERTAD

6 ANÁLISIS DE VIBRACIONES LIBRES EN UN SISTEMA DE UN GRADO DE LIBERTAD 6.1 

OBJETIVO Familiarizar al estudiante con la utilización de los instrumentos de medición, adquisición, procesamiento de datos de forma digital, así como el uso e interpretación del espectro de frecuencia como herramienta para el análisis de vibraciones.



Determinar experimentalmente las características naturales de un sistema oscilatorio.



Caracterizar experimentalmente un sistema vibratorio amortiguado de un grado de libertad a partir de su respuesta libre.



Comparar los resultados teóricos con los experimentales.

6.2

REVISIÓN TEÓRICA

En el Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones, se pretende simular mecánicamente problemas físicos relacionados con sistemas vibratorios con el objetivo de hallar su solución, entendiéndose por sistema vibratorio todo aquel que posee un movimiento oscilatorio que tiene la capacidad de almacenar y transformar energía cinética y potencial. Movimiento oscilatorio La mayoría de los movimientos oscilatorios sencillos pueden representarse mediante el uso de curvas sinusoidales. En este tipo de movimiento se añaden los siguientes conceptos físicos. 

El período de una vibración es el intervalo de tiempo en el cual un movimiento se repite; se designa con el símbolo T y se mide en segundos.



La frecuencia angular de oscilación es el recíproco del período que se designa con el símbolo y se mide en ciclos por segundo se designa con el símbolo ω y se mide en radianes por segundo.



La posición de equilibrio estático de un sistema es la posición en la cual las fuerzas estáticas se equilibran. Si un sistema libre oscila, lo hará alrededor de su posición de equilibrio estático, a la cual regresará una ve z que haya disipado toda la energía de perturbación.



La amplitud cero - pico mide la amplitud de la función sinusoidal desde la posición de equilibrio (valor 0 en el eje de las ordenadas) y el máximo o el mínimo de la función.

29

30




La amplitud pico - pico mide la magnitud de la amplitud de la función sinusoidal desde un valor mínimo hasta un valor máximo o viceversa.



La amplitud RMS es la amplitud del desplazamiento constante que contendría la misma energía que transporta la onda sinusoidal. Matemáticamente es la raíz cuadrada del valor medio del cuadrado de la señal. Por integración directa puede demostrarse que, para una señal sinusoidal, el valor RMS está dado por:

En la figura 6.1 se presenta una función sinusoide en la cual se han representado la mayoría de las definiciones anteriores.

Figura 6.1 Algunos parámetros en una curva que representa un movimiento oscilatorio.

Vibraciones libres en un sistema masa-resorte-amortiguador En esta práctica se estudiará la respuesta de un sistema de un grado de libertad, que se produce cuando dicho sistema oscila debido a la acción de fuerzas inherentes al mismo, sin la acción de fuerzas externas. Un sistema mecánico posee un grado de libertad cuando su configuración geométrica puede ser expresada en cualquier instante en función de una sola variable. Entonces, se necesitarán tantas variables como grados de libertad tenga un sistema para poder definirlo.

El modelo mecánico más simple de un solo grado de libertad, es el masa-resorteamortiguador identificado mediante sus constantes características equivalentes masa (m), coeficiente de amortiguamiento viscoso (C) y constante elástica del resorte (k) que se ilustra en la figura 6.2.


Figura 6.2 Sistema masa-resorte-amortiguador

El modelo matemático del sistema masa-resorte-amortiguador es el siguiente: 𝑚𝑥̈ + 𝐶𝑥̇ + 𝑘𝑥 = 0 En la respuesta de este modelo matemático se añaden los siguientes conceptos: 

La frecuencia angular natural de un sistema representa una característica propia y única de cada sistema y depende de su masa y elasticidad equivalentes. Se designa con el símbolo ωn , se mide en radianes por segundo



El factor de amortiguación relaciona las tres constantes características del sistema. Se designa con el símbolo ξ.

Básicamente se tienen cuatro tipos de sistemas determinados de acuerdo a su factor de amortiguación: 

no amortiguados (cuando ξ = 0 ),



sub-amortiguados (cuando 0 < ξ < 1 ),



críticamente amortiguados (cuando ξ = 1 ),



sobre-amortiguados (cuando ξ > 1 ).

Sistema para el análisis de vibraciones El sistema consiste en una masa ubicada sobre una barra articulada en un extremo y sujeta a un resorte lineal en el otro extremo. El sistema produce oscilaciones angulares en torno al pivote. La amortiguación del sistema se debe al rozamiento viscoso que se produce en la articulación. El sistema, en vibraciones libres, tiene una respuesta sub-amortiguada (0 < ξ < 1) debido a que la disipación de energía en la articulación (amortiguación) es menor a la capacidad de almacenamiento de energía por el resorte.

31

32


Figura 6.3 Esquema del sistema.

El modelo matemático del sistema viene dado por la siguiente expresión: 𝐼𝑒𝑞 𝜃̈ + 𝐶𝜃̇ + 𝑘𝑏 2 𝜃 = 0 I: inercia equivalente del sistema. C: coeficiente de rozamiento viscoso. k: coeficiente elástico del resorte. b: distancia de separación entre la articulación y el resorte.

De la resolución del modelo matemático para el caso sub-amortiguado, se tienen las siguientes expresiones: Inercia equivalente: 𝐼𝑒𝑞 = 𝐼𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎 + 𝐼𝑚𝑎𝑠𝑎 1 𝑚 𝐼𝑒𝑞 = 𝑚𝑏 2 + 𝑚𝑎2 = (3𝑎2 + 𝑏 2 ) 3 3 Frecuencia natural del sistema: 𝜔𝑛 2 =

𝑘𝑏 2 𝐼𝑒𝑞

Factor de amortiguación: 𝜉=

𝐶 2𝐼𝑒𝑞 𝜔𝑛

Frecuencia amortiguada: 𝜔𝑎 = √1 − 𝜉 2 𝜔𝑛 Respuesta de oscilación: 𝜃(𝑡) = 𝑒 −𝜉𝜔𝑛 𝑡 [𝐴 cos(𝜔𝑎 𝑡) + 𝐵 sin(𝜔𝑎 𝑡)]


Figura 6.4 Respuesta de un sistema sub-amortiguado de un grado de libertad.

6.3


6.3.1

EQUIPOS

1. Sistema para el análisis de vibraciones a. Una barra de acero de sección rectangular de 3/4” y longitud 70 cm articulada en uno de sus extremos a una sección vertical del bastidor del banco pruebas y sujeta por el otro extremo a un resorte helicoidal sujetado a la sección horizontal del bastidor. b. Una serie de masas que han sido agregadas en la barra, a distancias determinadas con respecto a la articulación. c. Dos chumaceras en la articulación de la barra que funcionarán como amortiguador viscoso. 2. Un acelerómetro fijado en la barra que permite obtener la señal analógica de la aceleración, producto de la vibración generada. 3. Un equipo analizador de vibraciones multicanal IDEAR-ADQ16 la recolección y procesamiento de señales. 4. Un computador en la cual se ha instalado el software MAINTraq Analyzer, que permitirá visualizar y analizar la señal proveniente del acelerómetro.

Imagen 6.1 Equipo para el análisis de vibraciones. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

33

34


6.4

PROCEDIMIENTO

1. Conectar el analizador de vibraciones al computador. 2. Conectar el acelerómetro al analizador de vibraciones y al banco de pruebas 3. Excitar el sistema con un conjunto de condiciones iniciales para que la computadora comience el muestreo de esa señal. 4. Registrar el valor de la frecuencia correspondiente al pico en el espectro de aceleración en el dominio de la frecuencia o directamente en la curva de desplazamiento vs. tiempo.

6.5


6.5.1

CÁLCULOS

1. Obtener la ecuación diferencial que rige al movimiento del sistema. 2. Con el gráfico de la respuesta libre, determinar el factor de amortiguación y el período de oscilación del sistema. 3. Determinar el valor de la constante elástica del resorte. 4. Encontrar el coeficiente de amortiguación viscoso para chumaceras. 5. Calcular la frecuencia angular natural teórica del sistema. 6. Calcular la constante del amortiguador. 7. Comparar el valor de la frecuencia calculada con los datos del sistema, con el valor medido. 8. Desarrollar un modelo matemático en Matlab que simule la respuesta del sistema físico.

6.6

PREGUNTAS

1. Explicar las propiedades piezoeléctricas de los materiales. 2. Explicar el funcionamiento de un acelerómetro. 3. Detallar aplicaciones del sistema para el análisis de vibraciones.

6.7

BIBLIOGRAFÍA

 Manual del Software Maintraq Analyzer (disponible en el LAEV).

ANÁLISIS DE VIBRACIONES FORZADAS EN UN SISTEMA DE UN GRADO DE LIBERTAD

7 ANÁLISIS DE VIBRACIONES FORZADAS EN UN SISTEMA DE UN GRADO DE LIBERTAD 7.1 

OBJETIVOS Conocer las formas de medición de las vibraciones y los equipos que son útiles en el análisis de las vibraciones a nivel industrial.



Estudiar el fenómeno de vibraciones forzadas.



Observar y estudiar el fenómeno de resonancia.



Analizar comparativamente los resultados teóricos de las vibraciones mecánicas con la aplicación de los conocimientos adquiridos en clase, con los prácticos obtenidos.

7.2

REVISIÓN TEÓRICA

En esta práctica se estudiará a un sistema de un grado de libertad con vibración forzada, la cual ocurre cuando dicho sistema oscila debido a la acción de fuerzas externas que lo excitan. Cuando la excitación es de tipo oscilatorio, el sistema tiende a vibrar de la misma manera y con la misma frecuencia, es decir que la respuesta del sistema estará en función de la frecuencia de excitación.

Figura 7.1 Estado transitorio y permanente.

Una característica fundamental de los sistemas excitados por fuerzas externas es que su respuesta está conformada por un estado transitorio y un estado permanente. El transitorio se debe a la acción conjunta de la respuesta libre y la respuesta forzada, pero debido a que la respuesta libre es decreciente en el tiempo, después de alcanzado un cierto tiempo la respuesta del sistema estará únicamente dada en función de la respuesta forzada.

35

36


Definiciones El modelo mecánico más simple de un solo grado de libertad con excitación externa, es el masa-resorte-amortiguador, identificado mediante sus constantes características equivalentes mEQ, cEQ, kEQ y la fuerza F(t), el cual se ilustra en la siguiente figura:

Figura 7.2 Sistema de un grado de libertad con excitación externa.

Luego, para este tipo de sistemas, la ecuación diferencial que rige su movimiento está representada por: 𝑚𝑒𝑞 𝑥̈ + 𝑐𝑒𝑞 𝑥̇ + 𝑘𝑒𝑞 𝑥 = 𝐹(𝑡) Para los sistemas de un grado de libertad, cuando la frecuencia de excitación coincide con la frecuencia natural ocurre resonancia. Para este caso se tendrán como consecuencia oscilaciones de grandes magnitudes, más allá de los límites tolerables. Los sistemas desbalanceados representan una excitación de tipo oscilatorio, la cual depende del momento de desbalance (m⋅e) y de la frecuencia de la excitación (Ω).

𝐹(𝑡) = sin Ω𝑡 Figura 7.3 Sistema de un grado de libertad con excitación externa de tipo oscilatorio.

En los sistemas forzados se hace necesario definir las siguientes variables para el análisis de los mismos:

ANÁLISIS DE VIBRACIONES FORZADAS EN UN SISTEMA DE UN GRADO DE LIBERTAD 

Relación de frecuencias asocia la frecuencia natural del sistema con la frecuencia de excitación. Es adimensional y se expresa según la ecuación: 𝑟=



Ω 𝜔𝑛

Factor de amplificación dinámico se designa con el símbolo Κ y es adimensional. Se expresa por: 𝐾=

7.3

√(1 − 𝑟 2 ) + (2𝜉𝑟)2


7.3.1 1

1

EQUIPOS

Sistema para el análisis de vibraciones 1.

Una barra de acero de sección rectangular de 3/4” y longitud 70 cm articulada en uno de sus extremos a una sección vertical del bastidor del banco pruebas y sujeta por el otro extremo a un resorte helicoidal sujetado a la sección horizontal del bastidor.

2.

Una serie de masas que han sido agregadas en la barra, a distancias determinadas con respecto a la articulación.

3.

Dos chumaceras en la articulación de la barra que funcionarán como amortiguador viscoso.

2

Un acelerómetro fijado en la barra que permite obtener la señal analógica de la aceleración, producto de la vibración generada.

3

Un equipo analizador de vibraciones multicanal IDEAR-ADQ16 la recolección y procesamiento de señales.

4

Un computador en la cual se ha instalado el software MAINTraq Analyzer, que permitirá visualizar y analizar la señal proveniente del acelerómetro.

Figura 7.4 Esquema del sistema de vibración forzada.

A continuación se presenta el banco de pruebas existente en el LAEV para el análisis de vibraciones.

37

38


Imagen 7.1 Banco de pruebas para el análisis de vibraciones. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

7.4

PROCEDIMIENTO

1. Excitar el sistema haciendo oscilar la barra para determinar la respuesta libre y la frecuencia natural. 2. Registrar el valor de la frecuencia correspondiente al pico observado en el espectro de aceleración o a la separación entre picos del gráfico de desplazamiento vs. tiempo. 3. Conectar el motor a la fuente de energía trifásica y con la ayuda del variador, cambiar la velocidad de giro del motor. 4. Ubicar la frecuencia crítica del sistema de un grado de libertad con el uso del variador de frecuencias. 5. El asistente indicará las velocidades en las cuales deberá reportar los valores de amplitud de vibración leídos en la computadora. Tomar tres medidas por velocidad de giro con la finalidad de promediarlas. Además deberá calcular el desfase de la respuesta respecto a la excitación.

7.5


7.5.1

CÁLCULOS

1. Con el gráfico de la respuesta libre, determinar el factor de amortiguación ( ζ ) y el período de oscilación del sistema. 2. Calcular la masa equivalente del sistema. 3. Reportar el valor del período de oscilación. 4. Reportar el valor de la frecuencia angular de resonancia. 5. Calcular el valor del momento de desbalance (m⋅e) con los datos experimentales obtenidos al colocar el motor a Ω rpm. 6. Realizar las siguientes gráficas:

ANÁLISIS DE VIBRACIONES FORZADAS EN UN SISTEMA DE UN GRADO DE LIBERTAD a)

Amplitud de vibración pico-pico (X [mm]) vs. frecuencia de excitación (Ω[rpm]),

b)

Factor de amplificación dinámico (r2 ⋅ Κ ) vs. relación de frecuencias ( r )

c)

Retraso de fase (φ [⁰]) vs. relación de frecuencias ( r ).

7. Mediante el uso de Matlab, simular matemáticamente el sistema físico con los valores característicos del sistema y de la excitación.

7.6

PREGUNTAS

1. Explicar las propiedades piezoeléctricas de los materiales. 2. Explicar el funcionamiento de un acelerómetro. 3. Detallar aplicaciones del sistema para el análisis de vibraciones.

7.7

BIBLIOGRAFÍA

 Manual: Software Maintraq Analyzer.

39

APLICACIÓN DE LA NORMA AWS D1.1 EN LA CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA

8 APLICACIÓN DE LA NORMA AWS D1.1 EN LA CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA 8.1 

OBJETIVO Calificar un procedimiento de soldadura mediante los criterios requeridos en la norma AWS D1.1.



Evaluar las propiedades de las probetas ensayadas según los lineamientos especificados en la norma AWS D1.1. para estructuras metálicas.

8.2

REVISIÓN TEÓRICA

La norma AWS D1.1 consta de los lineamientos generales y requerimientos para la soldadura de elementos estructurales de acero. Además esta norma contiene los requisitos para la realización de WPS, PQR y WPQ.

Para la calificación de un procedimiento de soldadura (PQR) se utiliza un cupón de ensayos que consta de probetas para ensayos de tracción, doblado, y si es necesario, de probetas para ensayo de impacto Charpy.

Figura 8.1 Cupón de ensayos disponible en la norma AWS D1.1. Fuente: AWS D1.1.”Structural Welding Code – Steel”.

40


Imagen 8.1 Probetas para ensayos de tracción de sección reducida y doblado. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

8.3

NORMAS 

AWS D1.1 Structural Welding Code - Steel.

8.4


8.4.1

MATERIALES

Las dimensiones de las probetas se basan en la norma AWS D1.1 para calificación de procedimiento de soldadura. 1. Dos (2) probetas de acero de sección rectangular para ensayo de tracción. 2. Dos (2) probetas de acero de sección rectangular para ensayo de doblado de cara. 3. Dos (2) probetas de acero de sección rectangular para ensayo de doblado de raíz. 4. Cinco (5) probetas de acero de sección rectangular para ensayo de impacto Charpy. (Opcional) 8.4.2

EQUIPOS

1. Máquina universal de ensayos. 2. Máquina para ensayos de impacto Charpy. 3. Equipo para ensayo de doblado. 4. Pinzas para ensayo de impacto Charpy. 5. Calibrador.

8.5

PROCEDIMIENTO

1

Preparar las superficies de las probetas.

2

Ensayos de tracción 2.1 Medir las dimensiones: Probeta de sección rectangular: tomar tres medidas de largo y ancho de la probeta con un calibrador.

41

42


2.2 Comprobar las dimensiones de las probetas con las requeridas en las normas utilizadas. 2.3 Colocar las mordazas tipo cuña en la máquina universal de ensayos. 2.4 Encender la máquina universal de ensayos. 2.5 Establecer la plantilla con la que se va a trabajar en el ensayo. Para este caso se encuentra creada una en la memoria del programa TEST NAVIGATOR con el nombre “ASTM_E8_TRACCIÓN”. 2.6 Verificar que la máquina se encuentre en su posición inicial (Return) y colocar la probeta en las mordazas. 2.7 Encerar la carga en la máquina universal de ensayos. 2.8 Iniciar el ensayo. 2.9 Observar la fluencia del acero, y el encuellamiento de la probeta. 2.10 3

Observar el tipo de falla de la probeta.

Ensayos de doblado 3.1 Utilizar ácido nítrico para revelar el cordón de soldadura. 3.2 Encender la máquina universal de ensayos. 3.3 Colocar los accesorios para ensayos de doblado según norma AWS D1.1. 3.4 Encerar aguja que indica la carga aplicada. 3.5 Colocar la probeta en el centro del accesorio para doblado.

4

Ensayos de impacto Charpy 4.1 Medir las dimensiones de las probetas: Largo, ancho y profundidad promedio con un calibrador. 4.2 Comprobar las dimensiones de las probetas con las requeridas en la norma utilizada. 4.3 Levantar el péndulo hasta la posición inicial. 4.4 Ubicar la probeta en las mordazas. 4.5 Encerar la energía en la máquina de ensayos 4.6 Dejar caer el péndulo. 4.7 Observar el tipo de falla de la probeta. 4.8 Hacer un promedio entre los valores de energía intermedios obtenidos en el ensayo.


Imagen 8.2 Ensayos de tracción y doblado de raíz en probetas extraídas del cupón de ensayos. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

8.6


8.6.1

DATOS OBTENIDOS

En la tabla 1 se deben presentar los resultados de los ensayos de tracción. Tabla 8.1 Ensayo de tracción

Carga Resistencia Ancho Espesor máxima a la Id. promedio promedio registrada tracción Observación Calificación mm

mm

lbf

N

ksi

MPa FJS o FMB FJS o FMB

*FJS: Falla la junta soldada *FMB: Falla el material base

8.7

PREGUNTAS

1. ¿Un elemento que falle en la junta soldada necesariamente no aprueba según la norma? 2. Indique los criterios de aceptación utilizados en la calificación del procedimiento de soldadura realizado en la práctica. 3. Indique las semejanzas y diferencias entre las normas técnicas AWS D1.1, D1.3 y D1.5.

8.8

BIBLIOGRAFÍA

 American Welding Society, “AWS D1.1: Structural Welding Code”.

43

CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE MATERIALES COMPUESTOS

9 CARACTERIZACIÓN

MECÁNICA

DE

MATERIALES

COMPUESTOS 9.1 

OBJETIVO Estudiar el comportamiento del polipropileno y de la madera plástica sometidos a tracción, flexión e impacto



Determinar las propiedades mecánicas de las probetas ensayadas.



Comparar las propiedades mecánicas obtenidas en madera plástica con las obtenidas con polipropileno.



Conocer los procesos de fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica más utilizados en la industria.

9.2

REVISIÓN TEÓRICA

Ensayo de tracción Se denomina tracción al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. La carga aplicada es perpendicular a la superficie de aplicación, además apunta hacia el exterior del elemento. Por convención se toma con signo positivo los esfuerzos de tracción ya que estos apuntan hacia el exterior del elemento.

Figura 9.1 Curvas esfuerzo – porcentaje de deformación de materiales poliméricos.

El efecto de tracción se presenta directamente en elementos como tensores. En un material linealmente elástico se cumple la ley del Hooke para tracción – compresión, expresada mediante la ecuación:  = E, donde E es el módulo de elasticidad para tracción-compresión,  es la deformación unitaria y  es el esfuerzo normal de tracción. Un material compuesto es un material multifásico que adopta las propiedades de sus fases constituyentes, de tal manera que presenta mejores propiedades y características. Con respecto a esto, es preciso mencionar la sinergia de las propiedades, es decir, las

44


propiedades finales obtenidas no son iguales a una suma simple de las propiedades de cada componente, sino que más bien dependerán de diferentes parámetros. Ensayo de flexión Cuando un elemento está sometido a cargas perpendiculares a su eje longitudinal, este elemento trabaja a flexión. Mediante los diagramas de fuerzas (cortantes y momentos), se puede conocer el estado de esfuerzos de cada sección del elemento y, a través de las relaciones diferenciales entre momento y deflexión es posible determinar la deformación por flexión de cualquier punto de la viga.


Figura 9.2 Configuración de los apoyos. Fuente: ASTM D7264M-07.

Los materiales compuestos son materiales compuestos por dos o más materiales con formas o composiciones diferentes con la intención de compensar las propiedades negativas de ambos y potenciar las positivas.

Figura 9.3 Curva esfuerzo – deformación unitaria de un material compuesto con matriz polimérica

45

46


Ensayo de impacto Izod El ensayo de Izod es un tipo de ensayo destructivo dinámico de resistencia al choque que utiliza un péndulo de Charpy como herramienta. Este procedimiento se lleva a cabo para averiguar la tenacidad de un material, ya que al realizarlo obtenemos su resiliencia.

Imagen 9.1 Ubicación de las probetas en el ensayo de impacto Izod.

Energía de impacto 𝑼𝒐=𝒎𝒈𝒉𝒐 Velocidad de impacto 𝒗𝒐 = √𝟐𝒈𝒉

El ensayo consiste en romper una probeta de sección cuadrangular con ayuda del péndulo. El procedimiento se repite para cada probeta. La resiliencia se obtiene de la media de los datos obtenidos. El ensayo IZOD difiere del ensayo de Charpy en la configuración de la probeta de entallada.

Imagen 9.2 Probetas después del ensayo de impacto Izod. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

La resiliencia de un material es la energía de deformación (por unidad de volumen) que puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la


deformación. La resiliencia es igual al trabajo externo realizado para deformar un material hasta su límite elástico.

9.3

NORMAS

Algunas de las normas más utilizadas para ensayos de tracción en materiales poliméricos son: 

ASTM D638 -10 Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.



ASTM D3039 – 08 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.



ASTM D882-12 Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting.



ISO 527 – 1 Plastics - Determination of tensile properties.

Algunas de las normas más utilizadas para ensayos de flexión en materiales poliméricos son: 

ASTM D7264 Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials.



ISO 178 Plastics – Determination of Flexural Properties.

Norma más utilizada para ensayos de impacto IZOD en materiales poliméricos: 

ASTM D256-10 Standard Test Methods for Determining the IZOD pendulum Impact Resistance of Plastics.

9.4


9.4.1

MATERIALES

1. Una (1) probeta normalizada (ASTM D638-10) de polipropileno para ensayo de tracción. 2. Una (1) probeta normalizada (ASTM D638-10) de madera plástica para ensayo de tracción. 3. Una (1) probeta normalizada (ASTM D7264-10) de madera plástica para ensayo de flexión.

47

48


4. Una (1) probeta normalizada (ASTM D7264-10) de polipropileno para ensayo de flexión. 5. Cinco (5) probetas normalizadas (ASTM D256) de madera plástica para ensayo de impacto Izod. 6. Cinco (5) probetas normalizadas (ASTM D256) de polipropileno para ensayo de impacto Izod. 9.4.2

EQUIPOS

1. Máquina universal de ensayos 2. Máquina para ensayos Izod 3. Calibrador 4. Marcador 5. Equipo para flexión 6. Deformímetro

9.5

PROCEDIMIENTO

Ensayo de tracción 1. Verificar la calidad de los acabados y superficie de las probetas. 2. Marcar en las probetas los puntos para la medición de la elongación. 3. Medir las dimensiones: Probeta de sección rectangular: tomar tres medidas de largo y ancho de la probeta con un calibrador. 4. Comprobar las dimensiones de las probetas con las requeridas en las normas utilizadas. 5. Colocar las mordazas correspondientes para cada tipo de probeta en la máquina universal de ensayos (Tipo cuña o circulares). 6. Ubicar la probeta en las mordazas. 7. Determinar la velocidad de carga según los requerimientos de las normas. 8. Encender la máquina universal de ensayos. 9. Establecer la plantilla con la que se va a trabajar en el ensayo. Para este caso se encuentra creada una en la memoria del programa TEST NAVIGATOR con el nombre “ASTM_E8_TRACCIÓN”. 10. Verificar que la máquina se encuentre en su posición inicial (home) y colocar la probeta en las mordazas. 11. Encerar la carga en la máquina universal de ensayos. 12. Iniciar el ensayo. 13. Observar la fluencia del acero, y el encuellamiento de la probeta.


14. Observar el tipo de falla de la probeta. 15. Obtener del software de la máquina universal de ensayos las lecturas de deformación y carga. 16. Medir la longitud final entre las marcas realizadas en la probeta. 17. Comparar los resultados obtenidos con polipropileno y madera plástica.

Imagen 9.3 Montaje de las probetas en el ensayo de tracción en la máquina universal de ensayos. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

Ensayo de flexión 1. Preparar la superficie de la probeta. 2. Tomar las dimensiones de la secciones de la probeta. 3. Colocar la probeta sobre los apoyos del equipo de flexión. 4. Ubicar el conjunto en el marco de carga de la máquina universal. 5. Colocar el plato de compresión en el cabezal fijo de la máquina. 6. Aplicar la carga puntual en el centro del vano de la viga. 7. Descargar la probeta y comprobar si la ésta trabaja en el rango elástico lineal.

Imagen 9.4 Montaje de las probetas en el ensayo de flexión en la máquina universal de ensayos. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

49

50


Ensayo de impacto Izod 1. Verificar la calidad de los acabados y superficie de las probetas. 2. Medir las dimensiones de las probetas: Largo, ancho y profundidad promedio con un calibrador. 3. Comprobar las dimensiones de las probetas con las requeridas en la norma utilizada. 4. Ingresar los datos de las dimensiones en la máquina de ensayos. 5. Levantar el péndulo hasta la posición inicial. 6. Ubicar la probeta en las mordazas. 7. Encerar la energía en la máquina de ensayos 8. Dejar caer el péndulo. 9. Observar el tipo de falla de la probeta. 10. Obtener de la máquina de ensayos las lecturas de energía absorbida. 11. Hacer un promedio entre los valores de energía intermedios obtenidos en el ensayo.

9.6


9.6.1

DATOS OBTENIDOS

Ensayo de tracción Tabla 9.1 Datos de carga y deflexión máxima

Ancho promedio mm

Probeta

Espesor promedio mm

Velocidad de carga mm/s

Carga máxima MPa

ksi

Deflexión máxima mm

Polipropileno Madera plástica

Ensayo de flexión Tabla 9.2 Datos de carga y deflexión máxima

Ancho promedio mm

Probeta

Espesor promedio mm


Carga máxima MPa

ksi



Ensayo de impacto Izod Tabla 9.3 Dimensiones y energía absorbida por las probetas de madera plástica.

Id. I1 I2

Largo promedio mm

Ancho promedio mm

Espesor promedio mm

Energía absorbida J


I3 I4 I5

Tabla 9.4 Dimensiones y energía absorbida por las probetas de polipropileno.

Largo promedio mm

Id.

Ancho promedio mm

Espesor promedio mm


I1 I2 I3 I4 I5 9.6.2

CÁLCULOS

1. Ensayo de tracción Se debe utilizar la norma ASTM, “ASTM D638-10: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics”.

2

1.1

Velocidad de carga

1.2

Tabla Cargas vs. Deformaciones lineales (P vs Dl)

1.3

Curva (P vs Dl)

1.4

Tabla Esfuerzos vs. Deformación unitaria (s vs e)

1.5

Curva (s vs e) identificando los principales puntos de la curva 1.5.1

Módulo de Elasticidad (E)

1.5.2

Resistencia a la tracción (su)

1.5.3

Porcentaje de elongación en 50 mm

Ensayo de flexión 2.1

Cálculo del módulo de elasticidad para las probetas ensayadas.

2.2

Gráfica de la deflexión

2.3

Comparación teórica y experimental: 2.3.1

Calcular los esfuerzos por flexión

2.3.2

Dibujar los diagramas de fuerza cortante y momento flector y calcular el esfuerzo máximo de tracción. Comparar este resultado con la resistencia mecánica a la tracción del material del perfil

2.3.3

Comparar la deflexión medida con la calculada en base a los datos tomados en el ensayo.

3

Ensayo de impacto Izod 3.1

Energía de impacto.

51

52


9.6.3 1

3.2

Velocidad de impacto.

3.3

Energía de deformación promedio del material.

3.4

Esquema de falla de las probetas.

TABLA DE RESULTADOS

Ensayo de tracción Tabla 9.5 Resistencia a la tracción, límite de fluencia y porcentaje de elongación.

Carga Resistencia Ancho Espesor % máxima a la promedio promedio Id. registrada tracción Elongación en 50 mm mm mm lbf N ksi MPa

2

Ensayo de flexión Tabla 9.6 Carga máxima, deflexión máxima.

Carga Ancho Espesor Deflexión Longitud máxima máxima Id. promedio promedio registrada mm mm mm lbf N mm

3

Ensayo de impacto Izod Tabla 9.7 Resistencia a la tracción, límite de fluencia y porcentaje de elongación.

Id. I1 I2 I3 I4 I5 Promedio

Energía absorbida Madera Polipropileno plástica J J

*

*

*Se consideran los tres valores intermedios de energía.

9.7

PREGUNTAS

Ensayo de tracción 1. Comparar el diagrama de esfuerzo – deformación entre los dos elementos ensayados. ¿Cuáles son las principales diferencias? 2. Compare las propiedades mecánicas de la probeta de polipropileno y de madera plástica.


3. ¿Qué tipo de falla (frágil o dúctil) se presentó en cada una de las probetas ensayadas? 4. Determinar el módulo de elasticidad de las dos probetas. 5. ¿Cuáles son los componentes de un material compuesto? ¿Cuáles son sus características? 6. ¿De qué manera intervienen las propiedades mecánicas del refuerzo de un material compuesto? 7. ¿Existe alguna relación entre dureza y resistencia a la tracción en polímeros? Explique su respuesta. 8. En la zona elástica ¿En cuál de las probetas ensayadas se registra la mayor elongación? 9. Indique los procesos de fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica más utilizados. 10. Explique las ventajas y desventajas de usar materiales compuestos de matriz polimérica y diga 5 aplicaciones de los mismos. Ensayo de flexión 1. Comparar los resultados de la probeta de polipropileno con la de madera plástica. ¿Mejoraron las propiedades mecánicas? 2. ¿Por qué el ensayo de flexión se realiza con una carga puntual? 3. ¿Cuáles son los componentes de un material compuesto? ¿Cuáles son sus características? 4. ¿De qué manera intervienen las propiedades mecánicas del refuerzo de un material compuesto? 5. Indique los procesos de fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica más utilizados. 6. Explique las ventajas y desventajas de usar materiales compuestos de matriz polimérica y diga 5 aplicaciones de los mismos.

Ensayo de impacto Izod 1. ¿Qué tipo de falla (frágil o dúctil) se presentó en cada una de las probetas ensayadas? 2. Explique las ventajas y desventajas de usar materiales compuestos de matriz polimérica y diga 5 aplicaciones de los mismos. 3. ¿De qué manera intervienen las propiedades mecánicas del refuerzo de un material compuesto?

53

54


4. ¿Cuáles son los componentes de un material compuesto? ¿Cuáles son sus características? 5. Indique otros tipos de ensayos de impacto que se pueden realizar en materiales compuestos. 6. Indique los procesos de fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica más utilizados.

9.8

REFERENCIAS

 ASTM, “ASTM D638 -10: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics”.  ASTM, “ASTM D3039 – 08: Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials”.  ASTM, “ASTM D882-12: Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting”.  ISO, “ISO 527 – 1: Plastics - Determination of tensile properties”.  ASTM, “ASTM D7264: Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials”.  ISO, “ISO 178: Plastics – Determination of Flexural Properties”.  ASTM, “ASTM D256-10: Standard Test Methods for Determining the Izod pendulum Impact Resistance of Plastics”.

ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS DE VARILLAS DE ACERO CORRUGADO

10 ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS DE VARILLAS DE ACERO CORRUGADO 10.1 OBJETIVO 








10.2 REVISIÓN TEÓRICA Se denomina tracción al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. La carga aplicada es perpendicular a la superficie de aplicación, además apunta hacia el exterior del elemento. Por convención se toma con signo positivo los esfuerzos de tracción ya que estos apuntan hacia el exterior del elemento.

Imagen 10.1 Probeta de varilla de acero corrugado sometido a tracción. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

El efecto de tracción se presenta directamente en elementos como tensores. En un material linealmente elástico se cumple la ley del Hooke para tracción – compresión, expresada mediante la ecuación:  = E, donde E es el módulo de elasticidad para tracción-compresión,  es la deformación unitaria y  es el esfuerzo normal de tracción. El acero corrugado o varilla corrugada es una clase de acero laminado diseñado especialmente para construir elementos estructurales de hormigón armado. Se trata de barras de acero que presentan resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón, y poseen una gran ductilidad, la cual permite que las barras se puedan cortar y doblar con mayor facilidad.

55

56


Figura 10.1 Aplicaciones de varillas de acero corrugado

Se llama armadura a un conjunto de barras de acero corrugado que forman un conjunto funcionalmente homogéneo, es decir, que trabajan conjuntamente para resistir cierto tipo de esfuerzo en combinación con el hormigón. Las armaduras también pueden cumplir una función de montaje o constructiva, y también se utilizan para evitar la figuración del hormigón.

Figura 10.2 Curva esfuerzo – deformación en probetas de varillas de acero corrugado. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

10.3 MATERIALES Y EQUIPOS 10.3.1 MATERIALES 

Una (1) varilla de construcción de acero de diámetro nominal 22.



Una (1) varilla de construcción de acero de diámetro nominal 12.

ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS DE VARILLAS DE ACERO CORRUGADO 10.3.2 EQUIPOS 

Máquina universal de ensayos



Calibrador digital

10.4 PROCEDIMIENTO 1. Marcar sobre la varilla una longitud de 550 mm 2. Cortar la varilla con la longitud indicada en el acápite 1 3. Retirar el óxido superficial de la varilla 4. Tomar 100 mm hacia arriba y abajo del centro de la probeta y realizar una marca con un punzón. 5. Medir las dimensiones: Tomar tres medidas del diámetro de las varillas con un calibrador. 6. Colocar las mordazas tipo cuña en la máquina universal de ensayos. 7. Ubicar la probeta en las mordazas. 8. Determinar la velocidad de carga según los requerimientos de las normas. 9. Encender la máquina universal de ensayos. 10. Establecer la plantilla con la que se va a trabajar en el ensayo. Para este caso se encuentra creada una en la memoria del programa TEST NAVIGATOR con el nombre “Tracción_varillas”. 11. Verificar que la máquina se encuentre en su posición inicial (home) y colocar la varilla en las mordazas. 12. Encerar la carga en la máquina universal de ensayos. 13. Iniciar el ensayo. 14. Observar la fluencia del acero, y el encuellamiento de la varilla. 15. Observar el tipo de falla de la probeta. 16. Obtener del software de la máquina universal de ensayos las lecturas de deformación y carga. 17. Medir la longitud final entre las marcas realizadas en la probeta. 18. Comparar los resultados obtenidos con la norma del material ensayado y con las especificaciones dadas por el fabricante.

10.5 PREPARACIÓN DEL INFORME 10.5.1 TABLA DE DATOS Los valores instantáneos de carga y deformación se obtienen directamente del software de la máquina universal de ensayos.

57

58


Tabla 10.1 Datos de carga y longitudes entre las marcas.

Diámetro nominal

Probeta

(mm)

Longitud inicial entre marcas (mm)

Longitud final entre marcas (mm)

Carga de Fluencia

Carga Máxima

Carga de Rotura

(lbf)

(lbf)

(lbf)

T1 T2 10.5.2 CÁLCULOS 2. Para el ensayo de tracción en varillas de construcción. 2.1.

Propiedades mecánicas de cada varilla

2.2.

Velocidad de carga

2.3.


2.4.

Curva (P vs Dl)

2.5.


2.6.

Curva (s vs e) identificando los principales puntos de la curva

2.6.1. Módulo de Elasticidad (E) 2.6.2. Esfuerzo de fluencia (sy) 2.6.3. Resistencia a la tracción (su) 2.6.4. Porcentaje de elongación en 50 mm 2.7.

Módulo de resiliencia

2.8.

Módulo de tenacidad

10.5.3 TABLAS DE RESULTADOS Tabla 10.2 Resistencia a la tracción, límite de fluencia y porcentaje de elongación.

Carga Límite Resistencia Diámetro Diámetro % máxima de a la Id. nominal promedio registrada fluencia Elongación tracción en 200 mm mm mm lbf N ksi MPa ksi MPa T1 T2

Calif

10.6 PREGUNTAS 1. ¿Qué método se utiliza para determinar el esfuerzo de fluencia, cuando no se puede apreciar directamente en el ensayo? 2. ¿Cómo diferenciar los tipos de falla dúctil y frágil en el ensayo de tracción?, y ¿Cuáles son las fracturas típicas por tensión en los metales? 3. Comparar el comportamiento de materiales frágiles y dúctiles sometidos tracción. 4. ¿Cómo es el diagrama real esfuerzo-deformación unitaria, y cuál es la diferencia con el diagrama ingenieril?

ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS DE VARILLAS DE ACERO CORRUGADO 5. ¿Cuáles son las principales diferencias entre un material dúctil y un frágil? 6. ¿Qué dispositivos de montaje se usaron en esta práctica? 7. ¿Por qué es indispensable que las probetas tengan las dimensiones propuestas por la norma utilizada? 8. ¿Cómo seleccionaría una muestra de varillas a ensayar? ¿Todas las varillas seleccionadas tienen similares propiedades mecánicas? 9. ¿Existe un cambio de propiedades mecánicas de la probeta después de ser sometida a tracción? 10. ¿Interviene en los resultados el acabado superficial de la probeta? 11. ¿Es necesario extraer una probeta de una varilla de construcción a ensayar?

10.7 BIBLIOGRAFÍA  ASTM, “ASTM A706-09: Standard Specification for Low-Alloy Steel Deformed and Plain Bars for Concrete Reinforcement”.  ASTM, “ASTM E6-09: Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing”.  INEN, “NTE INEN 109-2009: Ensayo de tracción para materiales metálicos a temperatura ambiente”.  ASTM, “ASTM E8-09: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials”

59

ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS DE ACERO TEMPLADO

11 ENSAYO DE TRACCIÓN EN PROBETAS DE

ACERO

TEMPLADO 11.1 OBJETIVO 




Evaluar las propiedades mecánicas del acero y sus formas de falla cuando se ha sometido el elemento a un tratamiento térmico de templado.





Imagen 11.1 Probetas para ensayo de tracción según norma ASTM E8. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

El efecto de tracción se presenta directamente en elementos como tensores. En un material linealmente elástico se cumple la ley del Hooke para tracción – compresión, expresada mediante la ecuación:  = E, donde E es el módulo de elasticidad para tracción-compresión,  es la deformación unitaria y  es el esfuerzo normal de tracción.

Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono.

60


Figura 11.1 Diagrama TTT (Temperatura, tiempo, transformación)

Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son: 

Templado: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera.



Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada.



Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza.



Normalizado: Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

11.3 NORMAS 

ASTM E8 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials

61

62


11.4 MATERIALES Y EQUIPOS 11.4.1 MATERIALES 1. Una (1) probeta normalizada de sección transversal circular (ASTM E8) de acero DF2 2. Una (1) probeta normalizada de sección transversal circular (ASTM E8) de acero DF2 templado 11.4.2 EQUIPOS 1. Máquina universal de ensayos 2. Calibrador digital 3. Marcador

11.5 PROCEDIMIENTO 1. Verificar la calidad de los acabados y superficie de las probetas. 2. Marcar en las probetas los puntos para la medición de la elongación. 3. Medir las dimensiones: Tomar tres medidas de largo y ancho de la probeta con un calibrador. 4. Comprobar las dimensiones de las probetas con las requeridas en las normas utilizadas. 5. Colocar las mordazas circulares en la máquina universal de ensayos. 6. Ubicar la probeta en las mordazas. 7. Determinar la velocidad de carga según los requerimientos de las normas. 8. Encender la máquina universal de ensayos. 9. Establecer la plantilla con la que se va a trabajar en el ensayo. Para este caso se encuentra creada una en la memoria del programa TEST NAVIGATOR con el nombre “ASTM_E8_TRACCIÓN”. 10. Verificar que la máquina se encuentre en su posición inicial (home) y colocar la probeta en las mordazas. 11. Encerar la carga en la máquina universal de ensayos. 12. Iniciar el ensayo. 13. Observar la fluencia del acero, y el encuellamiento de la probeta. 14. Observar el tipo de falla de la probeta. 15. Obtener del software de la máquina universal de ensayos las lecturas de deformación y carga. 16. Medir la longitud final entre las marcas realizadas en la probeta. 17. Comparar los resultados obtenidos con las dos probetas.


11.6 PREPARACIÓN DEL INFORME 11.6.1 TABLA DE DATOS Los valores instantáneos de carga y deformación se obtienen directamente del software de la máquina universal de ensayos. Tabla 11.1 Datos de carga y longitudes entre las marcas.

Longitud inicial mm

Probeta

Longitud final mm


Carga máxima lbf

Carga de Rotura lbf

DF2 DF2 templado 11.6.2 CÁLCULOS 1. Propiedades mecánicas de cada probeta 2. Velocidad de carga 3. Tabla Cargas vs. Deformaciones lineales (P vs Dl) 4. Curva (P vs Dl) 5. Tabla Esfuerzos vs. Deformación unitaria (s vs e) 6. Curva (s vs e) identificando los principales puntos de la curva 7. Módulo de Elasticidad (E) 8. Esfuerzo de fluencia (sy) 9. Resistencia a la tracción (su) 10. Porcentaje de elongación en 50 mm 11. Módulo de resiliencia 12. Módulo de tenacidad 11.6.3 TABLAS DE RESULTADOS Tabla 11.2 Resistencia a la tracción, límite de fluencia y porcentaje de elongación.

Id.

Diámetro promedio

mm

Carga máxima registrada

lbf

N

Límite de fluencia

ksi

MPa

Resistencia a la tracción

ksi

MPa

% Elongación en 50 mm

DF2 DF2 templado

11.7 PREGUNTAS 1. Explique las diferencias en estructura y propiedades mecánicas de las probetas ensayadas.

63

64


2. Explique el tratamiento térmico de las probetas ensayadas. 3. ¿Qué tipo de falla (frágil o dúctil) se presentó en cada una de las probetas ensayadas? 4. ¿Cuál elemento tendrá una mayor capacidad de absorción de energía? 5. ¿Cuáles son los parámetros a considerar en un tratamiento térmico de templado? 6. Establecer una relación entre el la dureza y la resistencia mecánica del acero. 7. Explique las características de la estructura martensítica. 8. ¿Qué aplicaciones tiene el acero con estructura martensítica? 9. ¿En qué medios de enfriamiento se puede templar un acero? 10. ¿Cómo influye la velocidad de enfriamiento en las propiedades mecánicas del acero? 11. ¿Cómo diferenciar los tipos de falla dúctil y frágil en el ensayo de tracción?, y ¿Cuáles son las fracturas típicas por tensión en los metales? 12. ¿Cómo es el diagrama real esfuerzo-deformación unitaria, y cuál es la diferencia con el diagrama ingenieril? 13. ¿Por qué es indispensable que las probetas tengan las dimensiones propuestas por la norma utilizada? 14. ¿Existe un cambio de propiedades mecánicas de la probeta después de ser sometida a tracción?

11.8 REFERENCIAS  ASTM, “ASTM E8-09: Standard Methods for Tension Testing of Metallic Materials”

ENSAYO DE TRACCIÓN Y DUREZA BRINELL EN PROBETAS DE FUNDICIÓN DE HIERRO GRIS

12 ENSAYO DE TRACCIÓN Y DUREZA BRINELL EN PROBETAS DE FUNDICIÓN DE HIERRO GRIS 12.1 OBJETIVOS 

Evaluar las propiedades mecánicas de las fundiciones y sus formas de falla.








Imagen 12.1 Ensayos de tracción y dureza Brinell en probetas de fundición de hierro gris. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

El efecto de tracción se presenta directamente en elementos como tensores. En un material linealmente elástico se cumple la ley del Hooke para tracción – compresión, expresada mediante la ecuación:  = E, donde E es el módulo de elasticidad para tracción-compresión,  es la deformación unitaria y  es el esfuerzo normal de tracción. En el ensayo de tracción se mide la variación del alargamiento (L) y la carga aplicada (F).

65

66


Figura 12.1 Elementos representativos en la curva esfuerzo – porcentaje de deformación en un ensayo de tracción en probetas de fundición de hierro gris. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

El hierro gris es uno de los materiales ferrosos más empleados y su nombre se debe a la apariencia de su superficie al romperse. Esta aleación ferrosa contiene en general más de 2% de carbono y más de 1% de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre. Una característica distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en general como grafito, adoptando formas irregulares descritas como “hojuelas”.

Figura 12.2 Diagrama hierro – carbono

12.3 NORMAS Las normas más utilizadas para ensayos de tracción y dureza Brinell en fundiciones de hierro gris son:

ENSAYO DE TRACCIÓN Y DUREZA BRINELL EN PROBETAS DE FUNDICIÓN DE HIERRO GRIS 

ASTM A48 Standard Specification for Gray Iron Castings.



NTE INEN 2481:2009 Fundiciones de hierro gris – Requisitos.



ASTM E10-10 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials.

12.4 MATERIALES Y EQUIPOS 12.4.1 MATERIALES 1. Una (1) probeta normalizada de hierro gris (ASTM A48) 2. Un (1) tocho de acero de hierro gris. 12.4.2 EQUIPOS 1. Máquina universal de ensayos. 2. Durómetro Brinell. 3. Microscopio Brinell. 4. Calibrador digital. 5. Marcador.

12.5 PROCEDIMIENTO 1. Ensayo de tracción 1.1. Verificar la calidad de los acabados y superficie de la probeta. 1.2. Medir las dimensiones: 1.3. Probeta de sección circular: tomar tres medidas del diámetro de la probeta con un calibrador. 1.4. Comprobar las dimensiones de las probetas con las requeridas en las normas utilizadas. 1.5. Colocar las mordazas circulares en la máquina universal de ensayos. 1.6. Determinar la velocidad de carga según los requerimientos de la norma. 1.7. Encender la máquina universal de ensayos. 1.8. Establecer la plantilla con la que se va a trabajar en el ensayo. Para este caso se encuentra creada una en la memoria del programa TEST NAVIGATOR con el nombre “ASTM_A48_TRACCIÓN”. 1.9. Verificar que la máquina se encuentre en su posición inicial (Return) y colocar la probeta en las mordazas. 1.10. Encerar la carga en la máquina universal de ensayos. 1.11. Iniciar el ensayo.

67

68


1.12. Observar el tipo de falla de la probeta. 1.13. Obtener del software de la máquina universal de ensayos las lecturas de deformación y carga. 1.14. Obtener el grado de hierro gris de acuerdo a las normas ASTM A48 y NTE INEN 2481:2009. 2. Ensayo de dureza 2.1. Presentar la superficie del tocho de hierro gris para facilitar la medición del diámetro indentado. 2.2. Comprobar las dimensiones de las probetas con las requeridas en las normas utilizadas. 2.3. Establecer la carga que se va a aplicar según los rangos de dureza indicados en la Tabla 12.1. Tabla 12.1 Rango de dureza para cargas normalizadas de Brinell con un indentador de 10 mm.

Diámetro de la esfera

Carga

Rango recomendado de

mm

Kgf

dureza Brinell

10

3000

96 - 650

10

1500

48 - 327

10

500

16 - 109

2.4. Colocar la probeta sobre la base porta muestras. Las superficies de contacto entre la probeta y la base deben estar completamente limpias. La probeta debe encontrarse completamente dentro de la base para asegurar que no exista desplazamiento durante el ensayo. En general, la distancia del centro de la impresión al borde de la probeta debe ser por lo menos 2,5 veces el diámetro de la impresión y la distancia entre centros de dos impresiones adyacentes por lo menos cuatro veces el diámetro de la impresión. 2.5. Ajustar el volante de posicionamiento, hasta que la probeta y la esfera de indentación se encuentren en contacto. 2.6. Asegurarse que la válvula de alivio de aceite se encuentre cerrada. 2.7. Subir y bajar la palanca de bombeo de aceite paulatinamente hasta llegar a la carga requerida. Una vez que se ha alcanzado el valor de carga requerido, se observa que las pesas suben hasta que existe un leve rebote. 2.8. Mantener la carga por un tiempo de 15 segundos. 2.9. Abrir despacio la válvula de alivio para evitar que las pesas caigan de golpe y maltratar el equipo, cuando las pesas hayan bajado completamente, abrir la válvula normalmente hasta que en el manómetro marque cero.

ENSAYO DE TRACCIÓN Y DUREZA BRINELL EN PROBETAS DE FUNDICIÓN DE HIERRO GRIS 2.10. Cerrar la válvula de alivio de aceite. 2.11. Desajustar el volante de posicionamiento y retirar la probeta. 2.12. Observar que la probeta no tenga defectos como pandeos en los bordes o fisuras superficiales. En el caso de que esto haya ocurrido, descartar el ensayo. 2.13. Determinación del valor de dureza Brinell. 2.13.1. Con el microscopio Brinell, medir el diámetro de la impresión del indentador sobre la probeta de ensayo. 2.13.2. Con el diámetro de la impresión del indentador y la carga aplicada, determinamos el número de dureza Brinell HB de la norma ASTM E10.

12.6 PREPARACIÓN DEL INFORME 12.6.1 TABLA DE DATOS Los valores instantáneos de carga y deformación se obtienen directamente del software de la máquina universal de ensayos. Tabla 12.2 Datos de carga y dimensiones.

Probeta

Diámetro promedio mm

Carga máxima lbf

Carga de Rotura lbf

Hierro gris 12.6.2 CÁLCULOS 1. Para el ensayo de tracción. 1.1.

Propiedades mecánicas de cada probeta

1.2.

Velocidad de carga

1.3.


1.4.

Curva (P vs Dl)

1.5.


1.6.

Curva (s vs e) identificando los principales puntos de la curva

1.7.

Módulo de Elasticidad (E)

1.8.

Resistencia a la tracción (su)

1.9.

Para el ensayo de dureza Brinell.

1.10.

Diámetro de indentación.

1.11.

Dureza Brinell

12.6.3 TABLAS DE RESULTADOS 1. Ensayo de tracción

69

70


Tabla 12.3 Resistencia a la tracción y porcentaje de elongación.

Carga Resistencia Diámetro máxima a la Id. promedio registrada tracción Clase mm

lbf

N

ksi

MPa

2. Ensayo de dureza Diámetro y dureza según la notación solicitada por la norma ASTM E10.

12.7 PREGUNTAS 1. Elaborar un esquema de las dimensiones de las probetas ensayadas y compararlo con el esquema propuesto en las normas. 2. ¿Cómo diferenciar los tipos de falla dúctil y frágil en el ensayo de tracción?, y ¿Cuáles son las fracturas típicas por tensión en los metales? 3. Comparar el comportamiento de materiales frágiles sometidos tracción. 4. ¿Por qué es indispensable que las probetas tengan las dimensiones propuestas por la norma utilizada? 5. ¿Existe un cambio de propiedades mecánicas de la probeta después de ser sometida a tracción? 6. ¿Cuáles son las diferencias entre las propiedades mecánicas de aceros y fundiciones? 7. Indique las aplicaciones más comunes del hierro gris. 8. Indique las diferencias entre las propiedades mecánicas de hierro gris y hierro dúctil.

12.8 REFERENCIAS  ASTM, “ASTM E6-09b: Standard Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing”.  ASTM, “ASTM A48: Standard Specification for Gray Iron Castings”.  INEN, “NTE INEN 2481:2009: Fundiciones de hierro gris – Requisitos”.  ASTM, “ASTM E10-10: Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials”.

ENSAYO DE PROBETAS EN MATERIALES COMPUESTOS EN MATRIZ POLIMÉRICA

13 ENSAYO DE PROBETAS EN MATERIALES COMPUESTOS EN MATRIZ POLIMÉRICA 13.1 OBJETIVO 

Estudiar el comportamiento del polipropileno y de la madera plástica en sus diferentes zonas, hasta alcanzar la falla.



Evaluar las propiedades mecánicas de las probetas ensayadas.



Trazar la curva esfuerzo – deformación unitaria para las probetas de polipropileno y de madera plástica para comparar e identificar las zonas más representativas de dichas curvas.


Imagen 13.1 Montaje de una probeta de material polimérico en la máquina universal de ensayos. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

El efecto de tracción se presenta directamente en elementos como tensores. En un material linealmente elástico se cumple la ley del Hooke para tracción – compresión, expresada mediante la ecuación:  = E, donde E es el módulo de elasticidad para tracción-compresión,  es la deformación unitaria y  es el esfuerzo normal de tracción.

71

72


Imagen 13.2 Probetas para ensayo de tracción en polímeros según norma ASTM D638 Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

13.3 NORMAS Algunas de las normas más utilizadas para ensayos de tracción en materiales poliméricos son: 

ASTM D638 -10 Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.



ASTM D3039 – 08 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.



ASTM D882-12 Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting.



ISO 527 – 1 Plastics - Determination of tensile properties.

13.4 MATERIALES Y EQUIPOS 13.4.1 MATERIALES 1. Una (1) probeta normalizada (ASTM D638-10) de polipropileno. 2. Una (1) probeta normalizada (ASTM D638-10) de madera plástica. 13.4.2 EQUIPOS 1. Máquina universal de ensayos 2. Calibrador 3. Marcador

13.5 PROCEDIMIENTO 1. Verificar la calidad de los acabados y superficie de las probetas. 2. Marcar en las probetas los puntos para la medición de la elongación.

ENSAYO DE PROBETAS EN MATERIALES COMPUESTOS EN MATRIZ POLIMÉRICA 3. Medir las dimensiones: Probeta de sección rectangular: tomar tres medidas de largo y ancho de la probeta con un calibrador. 4. Comprobar las dimensiones de las probetas con las requeridas en las normas utilizadas. 5. Colocar las mordazas correspondientes para cada tipo de probeta en la máquina universal de ensayos (Tipo cuña o circulares). 6. Ubicar la probeta en las mordazas. 7. Determinar la velocidad de carga según los requerimientos de las normas. 8. Encender la máquina universal de ensayos. 9. Establecer la plantilla con la que se va a trabajar en el ensayo. Para este caso se encuentra creada una en la memoria del programa TEST NAVIGATOR con el nombre “ASTM_E8_TRACCIÓN”. 10. Verificar que la máquina se encuentre en su posición inicial (home) y colocar la probeta en las mordazas. 11. Encerar la carga en la máquina universal de ensayos. 12. Iniciar el ensayo. 13. Observar la fluencia del acero, y el encuellamiento de la probeta. 14. Observar el tipo de falla de la probeta. 15. Obtener del software de la máquina universal de ensayos las lecturas de deformación y carga. 16. Medir la longitud final entre las marcas realizadas en la probeta. 17. Comparar los resultados obtenidos con polipropileno y madera plástica.

13.6 PREPARACIÓN DEL INFORME 13.6.1 TABLA DE DATOS Los valores instantáneos de carga y deformación se obtienen directamente del software de la máquina universal de ensayos. Tabla 13.1 Datos de carga y longitudes entre las marcas.

Probeta Polipropileno Madera plástica

Longitud inicial mm

Longitud final mm


Carga máxima lbf

Carga de Rotura lbf

73

74


13.6.2 CÁLCULOS Se debe utilizar la norma ASTM D638-10: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics. 1. Velocidad de carga 2. Tabla Cargas vs. Deformaciones lineales (P vs Dl) 3. Curva (P vs Dl) 4. Tabla Esfuerzos vs. Deformación unitaria (s vs e) 5. Curva (s vs e) identificando los principales puntos de la curva 6. Módulo de Elasticidad (E) 7. Resistencia a la tracción (su) 8. Porcentaje de elongación en 50 mm 13.6.3 TABLAS DE RESULTADOS Tabla 13.2 Resistencia a la tracción, límite de fluencia y porcentaje de elongación.

Carga Resistencia Ancho Espesor % máxima a la Id. promedio promedio registrada tracción Elongación en 50 mm mm mm lbf N ksi MPa

13.7 PREGUNTAS 1. Comparar el diagrama de esfuerzo – deformación entre los dos elementos ensayados. ¿Cuáles son las principales diferencias? 2. Compare las propiedades mecánicas de la probeta de polipropileno y de madera plástica. 3. ¿Qué tipo de falla (frágil o dúctil) se presentó en cada una de las probetas ensayadas? 4. Determinar el módulo de elasticidad de las dos probetas. 5. ¿Cuáles son los componentes de un material compuesto? ¿Cuáles son sus características? 6. ¿De qué manera intervienen las propiedades mecánicas del refuerzo de un material compuesto? 7. ¿Existe alguna relación entre dureza y resistencia a la tracción en polímeros? Explique su respuesta. 8. En la zona elástica ¿En cuál de las probetas ensayadas se registra la mayor elongación? 9. Indique los procesos de fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica más utilizados.

ENSAYO DE PROBETAS EN MATERIALES COMPUESTOS EN MATRIZ POLIMÉRICA 10. Explique las ventajas y desventajas de usar materiales compuestos de matriz polimérica y diga 5 aplicaciones de los mismos.

13.8 REFERENCIAS  ASTM, “ASTM D638-10: Standard Test Method for Tensile properties of Plastics”.  ASTM, “ASTM D3039-08: Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials”.  ISO, “ISO 527-1: Plastics – Determination of Tensile Properties”

75

ENSAYO DE CORTE SIMPLE EN UNA JUNTA EMPERNADA

14 ENSAYO DE CORTE SIMPLE EN UNA JUNTA EMPERNADA 14.1 OBJETIVO 

Evaluar la resistencia al corte de los pernos en una junta empernada.



Identificar el tipo de falla a cortante en los elementos ensayados.

14.2 REVISIÓN TEÓRICA El efecto de corte o cizalladura se presenta en los elementos mecánicos cuando la carga aplicada es tangencial o paralela a la superficie de aplicación, generándose en esta, esfuerzos cortantes (). En muchos elementos mecánicos tales como remaches, juntas soldadas, pernos, etc., el efecto de corte aparece en forma directa y de manera indirecta cuando el elemento es sometido a tensión, torsión y flexión.

Imagen 14.1 Corte simple en juntas empernadas. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

En un material linealmente elástico se cumple la ley del Hooke en cortante, que se puede expresar así:  = G, donde G es el módulo de elasticidad a cortante (módulo de rigidez),  es la deformación angular unitaria y  es el esfuerzo cortante.

14.3 MATERIALES Y EQUIPOS 14.3.1 MATERIALES 1. Una (1) junta empernada 14.3.2 EQUIPOS 1. Máquina universal de ensayos 2. Calibrador digital

76

ENSAYO DE CORTE SIMPLE EN UNA JUNTA EMPERNADA

14.4 PROCEDIMIENTO 1. Sujetar las pletinas con dos pernos de manera que la junta empernada contenga a los pernos con su eje perpendicular a la dirección longitudinal de la junta 2. Colocar la junta empernada en la máquina universal de ensayos de manera que se ejerza una carga axial a la junta. 3. Empezar el proceso de carga. 4. Observar la falla en el conjunto.

14.5 PREPARACIÓN DEL INFORME 14.5.1 DATOS OBTENIDOS 1. Velocidad de carga. 2. Esquemas donde debe constar el área de corte. 3. Carga de falla del conjunto. 14.5.2 CÁLCULOS 1. Esfuerzos cortantes máximos en los pernos. Para cortante simple y para cortante doble. 2. Esfuerzo normal en las pletinas de la junta. 3. Esquema de falla de la junta.

14.6 PREGUNTAS 1. Comparar los resultados entre los ensayos con los pernos ajustados y no ajustados. ¿En qué caso se registró la mayor carga de falla? 2. Determinar la resistencia mecánica al corte de los pernos y comparar con la resistencia mecánica de las pletinas. 3. Comparar los resultados experimentales de resistencia al corte, con la resistencia calculada a partir de los datos teóricos.

14.7 REFERENCIAS  Çengel Y.; Mecánica de Fluidos; Editorial McGraw-Hill; 2006

77

ENSAYO DE FLEXIÓN EN PROBETAS DE PERFIL DE ACERO CONFORMADO EN CALIENTE CON SECCIÓN TRANSVERSAL EN L

15 ENSAYO DE FLEXIÓN EN PROBETAS DE PERFIL DE ACERO CONFORMADO

EN

CALIENTE

CON

SECCIÓN

TRANSVERSAL EN L 15.1 OBJETIVO 




Observar el comportamiento de los elementos sometidos a flexión asimétrica.



Observar el efecto de la torsión en los perfiles ensayados.

15.2 REVISIÓN TEÓRICA Cuando un elemento está sometido a cargas perpendiculares a su eje longitudinal, este elemento trabaja a flexión. Mediante los diagramas de fuerzas (cortantes y momentos), se puede conocer el estado de esfuerzos de cada sección del elemento y, a través de las relaciones diferenciales entre momento y deflexión es posible determinar la deformación por flexión de cualquier punto de la viga.

Imagen 15.1 Probeta de perfil de acero sometido a flexión pura. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.


15.3 NORMAS 

ASTM E290-09 Standard Test Methods for Bend Testing of material for Ductility.



ISO 7438: 2005 Metallic materials - Bend test.

78

ENSAYO DE FLEXIÓN EN PROBETAS DE PERFIL DE ACERO CONFORMADO EN CALIENTE CON SECCIÓN TRANSVERSAL EN L

15.4 MATERIALES Y EQUIPOS 15.4.1 MATERIALES 1. Una (1) probeta extraida de una viga de acero conformado en caliente de sección I. 15.4.2 EQUIPOS 1. Máquina universal de ensayos 2. Calibrador 3. Equipo para flexión 4. Deformímetro

15.5 PROCEDIMIENTO 1. Limpiar la superficie de la probeta. 2. Tomar las dimensiones de la secciones de la viga. 3. Colocar la viga sobre los apoyos del equipo de flexión. 4. Ubicar el conjunto en el marco de carga de la máquina universal. 5. Colocar el plato de compresión en el cabezal fijo de la máquina. 6. Encender la máquina universal de ensayos. 7. Determinar la velocidad de carga. 8. Verificar que la máquina se encuentre en su posición inicial (Return) y colocar la probeta en las mordazas. 9. Encerar la carga en la máquina universal de ensayos. 10. Iniciar el ensayo. 11. Aplicar la carga puntual en el centro del vano de la viga. 12. Tomar lecturas de deformación cada 1.000 lbf hasta las 20.000 lbf. 13. Descargar la viga y comprobar si la ésta trabaja en el rango elástico lineal.

15.6 PREPARACIÓN DEL INFORME 15.6.1 DATOS OBTENIDOS 1. Velocidad de carga. 2. Carga máxima. 3. Deflexión máxima. 15.6.2 CÁLCULOS 1. Cálculo del módulo de elasticidad para los perfiles ensayados. 2. Gráfica de la deflexión 3. Comparación teórica y experimental:

79

80


a)


b)


c)


15.7 PREGUNTAS 1. El perfil ensayado, a más de soportar deformaciones por flexión, ¿soporta otro tipo de deformaciones? Justifique. 2. Si la pregunta anterior es afirmativa, ¿afectan estas deformaciones al cálculo del módulo de elasticidad? Esquema de distribución de esfuerzos de flexión en la sección de las vigas. 3. ¿En qué casos puede ocurrir flexión asimétrica? 4. ¿Los perfiles que trabajan bajo una solicitación mecánica de flexión asimétrica soportan mayor o menor carga que los que trabajan bajo flexión simétrica? Justifique. 5. Esplique el pandeo por flexión 6. ¿Por qué el ensayo de flexión se realiza con una carga puntual?

15.8 REFERENCIAS  ASTM, “ASTM E290-09: Standard Test Methods for Bend Testing of material for Ductility”.

ENSAYO DE FLEXIÓN EN PROBETAS DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA

16 ENSAYO DE FLEXIÓN EN PROBETAS DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 16.1 OBJETIVO 

Estudiar el comportamiento del polipropileno y de la madera plástica sometidos a flexión.




16.2 REVISIÓN TEÓRICA Cuando un elemento está sometido a cargas perpendiculares a su eje longitudinal, este elemento trabaja a flexión. Mediante los diagramas de fuerzas (cortantes y momentos), se puede conocer el estado de esfuerzos de cada sección del elemento y, a través de las relaciones diferenciales entre momento y deflexión es posible determinar la deformación por flexión de cualquier punto de la viga.


Imagen 16.1 Ensayo de flexión en probeta de material compuesto con matriz polimérica según la Norma ASTM D7264M-07. Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

Los materiales compuestos son materiales compuestos por dos o más materiales con formas o composiciones diferentes con la intención de compensar las propiedades negativas de ambos y potenciar las positivas.

81

82


Imagen 16.2 Probetas de materiales compuestos con matriz polimérica después del ensayo de flexión Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

16.3 NORMAS 

ASTM D7264 Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials.



ISO 178 Plastics – Determination of Flexural Properties

16.4 MATERIALES Y EQUIPOS 16.4.1 MATERIALES 1. Una (1) probeta de madera plástica para ensayo de flexión. 2. Una (1) probeta de polipropileno para ensayo de flexión. 16.4.2 EQUIPOS 1. Máquina universal de ensayos 2. Calibrador 3. Equipo para flexión 4. Deformímetro

16.5 PROCEDIMIENTO 1. Preparar la superficie de la probeta. 2. Tomar las dimensiones de la secciones de la probeta. 3. Colocar la probeta sobre los apoyos del equipo de flexión. 4. Ubicar el conjunto en el marco de carga de la máquina universal. 5. Colocar el plato de compresión en el cabezal fijo de la máquina. 6. Aplicar la carga puntual en el centro del vano de la viga.

ENSAYO DE FLEXIÓN EN PROBETAS DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 7. Descargar la probeta y comprobar si la ésta trabaja en el rango elástico lineal.

16.6 PREPARACIÓN DEL INFORME 16.6.1 DATOS OBTENIDOS Tabla 16.1 Datos de carga y deflexión máxima

Probeta

Ancho promedio mm

Espesor promedio mm


Carga máxima MPa ksi



16.6.2 CÁLCULOS 1. Cálculo del módulo de elasticidad para las probetas ensayadas. 2. Gráfica de la deflexión 3. Comparación teórica y experimental: a)


b)


c)


16.7 PREGUNTAS 1. Comparar los resultados de la probeta de polipropileno con la de madera plástica. ¿Mejoraron las propiedades mecánicas? 2. ¿Por qué el ensayo de flexión se realiza con una carga puntual? 3. ¿Cuáles son los componentes de un material compuesto? ¿Cuáles son sus características? 4. ¿De qué manera intervienen las propiedades mecánicas del refuerzo de un material compuesto? 5. Indique los procesos de fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica más utilizados. 6. Explique las ventajas y desventajas de usar materiales compuestos de matriz polimérica y diga 5 aplicaciones de los mismos.

16.8 BIBLIOGRAFÍA  ASTM, “ASTM D7264: Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials”

83

ENSAYO DE IMPACTO IZOD EN PROBETAS DE MATERIALES COMPUESTOS

17 ENSAYO

DE

IMPACTO

IZOD

EN

PROBETAS

DE

MATERIALES COMPUESTOS 17.1 OBJETIVO 

Evaluar las propiedades mecánicas de la madera plástica sometida a impacto en el péndulo Izod.



Determinar la energía y velocidad de impacto para el ensayo.



Observar la forma de falla de las probetas ensayadas.

17.2 REVISIÓN TEÓRICA El ensayo de Izod es un tipo de ensayo destructivo dinámico de resistencia al choque que utiliza un péndulo de Charpy como herramienta. Este procedimiento se lleva a cabo para averiguar la tenacidad de un material, ya que al realizarlo obtenemos su resiliencia.

Imagen 17.1 Ubicación de las probetas en el ensayo de impacto Izod.

Energía de impacto 𝑼𝒐=𝒎𝒈𝒉𝒐 Velocidad de impacto 𝒗𝒐 = √𝟐𝒈𝒉 El ensayo consiste en romper una probeta de sección cuadrangular con ayuda del péndulo. El procedimiento se repite para cada probeta. La resiliencia se obtiene de la media de los datos obtenidos. El ensayo Izod difiere del ensayo de Charpy en la configuración de la probeta de entallada.

84


Imagen 17.2 Probetas de material polimérico después del ensayo de impacto Izod Fuente: Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones.

La resiliencia de un material es la energía de deformación (por unidad de volumen) que puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación. La resiliencia es igual al trabajo externo realizado para deformar un material hasta su límite elástico.

17.3 NORMAS 

ASTM D256-10 Standard Test Methods for Determining the Izod pendulum Impact Resistance of Plastics.

17.4 MATERIALES Y EQUIPOS 17.4.1 MATERIALES 1. Cinco (5) probetas normalizadas (ASTM D256) de madera plástica para ensayo de impacto Izod. 2. Cinco (5) probetas normalizadas (ASTM D256) de polipropileno para ensayo de impacto Izod. 17.4.2 EQUIPOS 1. Máquina para ensayo de impacto Izod 2. Calibrador digital

17.5 PROCEDIMIENTO 1. Verificar la calidad de los acabados y superficie de las probetas. 2. Medir las dimensiones de las probetas: Largo, ancho y profundidad promedio con un calibrador. 3. Comprobar las dimensiones de las probetas con las requeridas en la norma utilizada. 4. Ingresar los datos de las dimensiones en la máquina de ensayos. 5. Levantar el péndulo hasta la posición inicial. 6. Ubicar la probeta en las mordazas.

85

86


7. Encerar la energía en la máquina de ensayos 8. Dejar caer el péndulo. 9. Observar el tipo de falla de la probeta. 10. Obtener de la máquina de ensayos las lecturas de energía absorbida. 11. Hacer un promedio entre los valores de energía intermedios obtenidos en el ensayo.

17.6 PREPARACIÓN DEL INFORME 17.6.1 TABLA DE DATOS Tabla 17.1 Dimensiones y energía absorbida por las probetas de madera plástica.

Id.

Largo promedio mm

Ancho promedio mm

Espesor promedio mm


I1 I2 I3 I4 I5 Tabla 17.2 Dimensiones y energía absorbida por las probetas de polipropileno.

Id.

Largo promedio mm

Ancho promedio mm

Espesor promedio mm


I1 I2 I3 I4 I5 17.6.2 CÁLCULOS 1. Energía de impacto. 2. Velocidad de impacto. 3. Energía de deformación promedio del material. 4. Esquema de falla de las probetas. 17.6.3 TABLAS DE RESULTADOS Tabla 17.3 Resistencia a la tracción, límite de fluencia y porcentaje de elongación.

Id.

Energía absorbida Madera Polipropileno plástica J J

I1 I2 I3 I4 I5 Promedio * *Se consideran los tres valores intermedios de energía.

*


17.7 PREGUNTAS 1. ¿Qué tipo de falla (frágil o dúctil) se presentó en cada una de las probetas ensayadas? 2. Explique las ventajas y desventajas de usar materiales compuestos de matriz polimérica y diga 5 aplicaciones de los mismos. 3. ¿De qué manera intervienen las propiedades mecánicas del refuerzo de un material compuesto? 4. ¿Cuáles son los componentes de un material compuesto? ¿Cuáles son sus características? 5. Indique otros tipos de ensayos de impacto que se pueden realizar en materiales compuestos. 6. Indique los procesos de fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica más utilizados.

17.8 BIBLIOGRAFÍA  ASTM, “ASTM D256-10: Standard Test Methods for Determining the Izod pendulum Impact Resistance of Plastics”

87

Guia Laboratorio

Recommend Documents