UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Ing. Ejecución Mecánica Departamento de Ingeniería Mecánica SANTIAGO
TITULO DE LA EXPERIENCIA Ensayo Dinámico
________________________________________________________________________________________________________
4 3 12/05/2015 19/05/2015 EXPERIENCIA N° __________Grupo N°_______Fecha de la Exp_________________ Fecha de Entrega _________________
Resistencia de Materiales 15102 NOMBRE ASIGNATURA_________________________________________________________CODIGO___________ Diurna CARRERA__________ ____________________________________Modalidad ( Diurna o Vespertina)___________________________ Quiroz Torres Pablo Angel NOMBRE DEL ALUMNO___________________________________________________________________________ Apellido Paterno
Apellido Materno
Nombre
________________________ Firma del alumno Fecha de Recepción
Nota de Interrogación ________________
BERNARDO GARATE Nombre del Profesor ________________________________________
Nota de Participación ________________ Nota de Informe ____________________ _________________________________ Nota Final __________________ ______ ________________
Firma del Profesor
SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X ________ Presentación ________ Características Técnicas ________ Descripción del Método seguido OBSERVACIONES
________ Cálculos, resultados, gráficos ________ Discusión, conclusiones _______ Apéndice
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Índice 1. 2.
1.
Resumen del Contenido 3
3.
2.
Objetivos de la Experiencia 3
4.
3.
Metodología Experimental 3
5.
4.
Características Técnicas de los Equipos e Instrumentos 5
6.
5.
Presentación de Datos 6
7.
6.
Presentación de Resultados 7
8.
7.
Conclusiones 8
9.
8.
Apéndice 9
10.
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Ensayo dinámico 1. Resumen del Contenido En el presente informe se estudiara el comportamiento de distintos metales sometidos a un ensayo dinámico, mediante el péndulo de Charpy, el cual es utilizado para medir la tenacidad de los materiales. . En esta prueba las probetas son sometidas a un fuerte impacto instantáneo, producto del cual ésta se rompe muy rápidamente, las probetas serán sometidas a fuerzas que provoquen la fractura por tracción y deflexión. Este hecho entrega una medida de la energía que se debe aplicar para su fractura, lo que se traduce en un índice de su tenacidad.
2. Objetivos de la Experiencia
Determinar la resiliencia de distintos materiales sometidos a cargas de impacto. Analizar el comportamiento comparativo de los materiales ensayados ante este tipo de cargas. Determinar el porcentaje de estiramiento y porcentaje de estricción de las probetas sometidas a impacto por tracción. Comparar los valores obtenidos en este ensayo con los análogos obtenidos del ensayo para determinar la resistencia a la tracción.
3. Metodología Experimental En este ensayo las probetas se llevan a la rotura por tracción y por deflexión, mediante la acción de un péndulo de Charpy, que entrega una carga de alta magnitud en un corto tiempo. En primera instancia se marcan las 10 probetas que serán utilizadas en el ensayo dinámico de flexión con números del uno al cinco según su material, acero o latón. Las probetas poseen una sección rectangular y un entalle en su parte central para llevar al material a las condiciones más severas posibles, llevándola a una sobre exigencia para resistir esta carga. Seguidamente se marcan las 12 probetas que serán utilizadas en el ensayo dinámico de tracción, estas se dividen en: - 3 probetas de acero - 3 probetas de latón - 3 probetas de aluminio - 3 probetas de cobre Las probetas son cilíndricas con sus extremos roscados, y en su parte media tiene un diámetro menor. Luego de esto se deben medir las dimensiones iniciales de cada una de las probetas con el instrumento Pie de Metro, se debe tener la precaución de que estas medidas sean lo más exactas posibles, una vez obtenido todos los datos de las probetas se procede a someterlas a la máquina de ensayo Charpy. Mediante el método de Charpy se llevaran las probetas a la ruptura, ya sea por tracción como por deflexión. El primer ensayo a realizar será la rotura por tracción, en éste se monta la probeta roscando uno de sus extremos a
un dispositivo de sujeción especial y el otro al martillo de manera que quede bien asegurada para la realización del ensayo, se instalan en la base del punto de impacto dos piezas en forma de L, luego se ubica el péndulo en 160° a una altura h, al instalar un dispositivo de sujeción se logra aplicar el impacto por tracción. Al producirse la fractura se observa en la aguja la cantidad de grados que logró elevarse el péndulo.
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Probeta en momento exacto de rotura por tracción
Finalmente se hace el ensayo dinámico de flexión, en la base del punto de impacto se quitan las dos piezas en forma de L, luego la probeta se instala apoyada en sus extremos de forma que el entalle quede ajustado en el punto de impacto, prontamente se gira la probeta para que el entalle quede en dirección contraria al péndulo recibiendo el impacto justo
en la zona debilitada por el entalle, lo que causará su ruptura. Al producirse la fractura se observa en la aguja la cantidad de grados que logró elevarse el péndulo.
4. Características Instrumentos Máquina de ensayo Charpy
Técnicas de los Equipos e
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Marca: Losenhausenwerk Año :1951 Peso estimado : +/- 500 Kg Masa: 19,333 Kg Radio pendular: 0,8m Mayor capacidad de trabajo: 15/30 Kgm Angulo de levantamiento para iniciar ensayo : 160° Reloj graduado en grados
Pie de Metro
Marca: Mitutoyo Procedencia: Japón Tipo de instrumento: Analógico Unidad de medición: Milímetros y Pulgadas Rango de escala: 0-300 [mm] y 0-12 [in] Sensibilidad: 0,05 [mm] y 1/128 [in]
Probetas Se ensayaran probetas distintas para cada ensayo: -
Probetas para ensayo de tracción, son cilíndricas y en roscados, de cuatro materiales distintos, acero, latón, cobre.
-
Probetas para ensayo mediante flexión, poseen un parte central para llevar el material a las más severas posibles.
5. Presentación de Datos
sus extremos aluminio y
entalle en su condiciones
6 En esta sección se muestran los datos experimentales obtenidos en la experiencia de los ensayos de probetas para la tracción y la flexión. Tabla 1 – Datos obtenidos de las dimensiones iniciales de las probetas para ensayo dinámico de tracción. Material de la probeta Acero 1 Acero 2 Acero 3 Latón 1 Latón 2 Latón 3 Aluminio 1 Aluminio 2 Aluminio 3 Cobre 1 Cobre 3 Cobre 3
Diámetro inicial (cm)
Largo inicial (cm)
0,5 0,48 0,49 0,525 0,515 0,51 0,49 0,495 0,515 0,51 0,49 0,515
4,8 3,515 4,27 4,335 4,15 4,285 3,14 3,825 4,11 4,04 4,03 3,81
Área (cm2) 0,19635 0,180956 0,188574 0,216475 0,208307 0,204282 0,188574 0,192442 0,208307 0,204282 0,188574 0,208307
Volumen (cm3) 0,942478 0,636059 0,805211 0,938421 0,864475 0,875349 0,592123 0,736091 0,856143 0,8253 0,759954 0,793651
Tabla 2 – Datos obtenidos de las dimensiones iniciales de las probetas para ensayo dinámico de flexión. Material de la probeta Acero 1 Acero 2 Acero 3 Acero 4 Acero 5 Latón 1 Latón 2 Latón 3 Latón 4 Latón 5
Base b (mm) 9,45 9,45 9,40 9,50 9,50 9,45 9,45 9,45 9,45 9,45
Altura h (mm) 7,35 7,20 7,70 7,50 7,35 7,60 7,80 7,65 7,60 7,70
Área sección transversal (cm²) 0,695 0,680 0,724 0,713 0,698 0,718 0,737 0,723 0,718 0,728
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6. Presentación de Resultados En esta sección se muestran los resultados obtenidos de las probetas según el tipo de ensayo hecho, tracción y flexión.
Tracción: Tabla 3 – Propiedades mecánicas calculadas a través del ensayo dinámico de tracción. Material de la probeta Acero 1 Acero 2 Acero 3 Latón 1 Latón 2 Latón 3 Aluminio 1 Aluminio 2 Aluminio 3 Cobre 1 Cobre 3 Cobre 3
Ángulo observado (Grados) 126 124,5 101,2 114,8 116 111 138 134 133,9 118,5 141,5 134
Ángulo Corregido (Grados) 126,7607547 125,2516981 101,8110189 115,4931321 116,7003774 111,6701887 138,8332076 134,8090566 134,7084529 119,2154717 142,3543396 134,8090566
Trabajo W (J)
Resiliencia at (J/cm3)
51,7537 54,98519 111,4813 77,24579 74,37583 86,51906 28,3472 35,63514 35,82425 68,49537 22,43092 35,63514
54,91238 86,44663 138,4498 82,31467 86,03583 98,83954 47,87386 48,4113 41,84378 82,99456 29,51617 44,90029
Flexión: Tabla 4 – Propiedades mecánicas calculadas a través del ensayo dinámico de flexión.
Material de la probeta Latón 1 Latón 2 Latón 3 Latón 4 Latón 5 Acero 1 Acero 2 Acero 3 Acero 4 Acero 5
Ángulo observado (Grados) 147,0 148,0 148,0 147,0 147,5 153,0 153,0 147,0 136,5 152,0
Ángulo corregido (grados) 147,888 148,894 148,894 147,888 148,391 153,924 153,924 147,888 137,324 152,918
Trabajo W (J) 14,0574121 12,6616538 12,6616538 14,0574119 13,3545552 6,29154737 6,29154737 14,0574119 31,0163387 7,48308038
Resiliencia af (J/cm²) 20,226 18,620 17,488 19,716 19,133 8,763 8,537 19,443 43,198 10,279
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7. Conclusiones Al hacer un promedio de las propiedades mecánicas de cada material, se observa que las probetas de acero en el ensayo dinámico de tracción, tienen mayor resiliencia que las probetas de los otros materiales, es decir, que el acero tiene mayor capacidad de absorción de energía en el límite proporcional, presentó un 4.5% más que el latón , un 43.7% mayor que el cobre y un 50.7% mayor que el aluminio , según los datos obtenidos queda evidenciado que el latón tiene una baja péndulo resiliencia de 46.043(J/cm3) , en comparación con los otros 3 materiales. Se observa que las probetas de latón presentan dimensiones y ángulos similares, lo que evidencia un material con propiedades idénticas en toda su estructura (homogéneo). En relación a los ángulos el acero tiene un ángulo menor en comparación con los otros 3 materiales, lo que hace al material más tenaz, ratificando lo expuesto en el primer punto de la conclusión. Al analizar los resultados en el ensayo dinámico de flexión, se observa nuevamente la homogeneidad del latón, esto se podría deber a que todas estas probetas fueron hechas de la misma barra de latón. El material que presentó en promedio mayor resiliencia fue el latón con un 5.2% más que el acero, que no concuerda con el ensayo dinámico de tracción , por ende ésta desigualdad nos indica que el acero tiene mayor tenacidad si es forzado por tracción que por flexión . 2 1
8. Apéndice h2
h1
Marco teórico: Para evaluar las propiedades de un material cuando es sometido a cargas impacto se utilizan diversos Línea de de referencia equipos según el tipo y características del impacto que se desee aplicar. En este caso, se trabajará con un péndulo de impacto tipo Charpy1, el que puede aplicar la carga en un modelo de “flexión” o un uno de “tracción”. R El péndulo es liberado desde una altura inicial “h1” – lo que supone una energía potencial inicial – para impactar la probeta en el momento que éste ha alcanzado su máxima velocidad. La deformación y ruptura de la probeta significa una absorción de energía, la que es quitada al péndulo, por lo tanto, éste llegará a una altura final “h2”, que es inferior a h1. La diferencia entre las alturas inicial y final permite cuantificar la energía absorbida por la probeta y, con ese valor, determinar la resiliencia. Figura 1. Esquema teórico del ensayo de impacto
1 Georges Charpy (1865 - 1945): Científico francés que creó este método para ensayos de impacto. Fué nombrado profesor de la Escuela Nacional Superior de Minas de París en 1920, y es en ese período como profesor cuando desarrolla el “ensayo de Charpy”, método experimental hoy día ampliamente conocido y aplicado en el mundo.
probeta
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El trabajo “W“ empleado en romper la probeta se calcula por: W = W1 – W2 = Mgh1 – Mgh2 = Mg ( h1 – h2 ) Donde: “M” es la masa del péndulo (19,333 kilogramos) “g” es la aceleración de gravedad (9,80665 m/s²) “h1” es la altura inicial del péndulo (m) “h2” es la altura final del péndulo (m) Según la Figura 4.1 la expresión para calcular el trabajo “W” puede expresarse como: W = Mg ( h1 – h2 ) h1 = R + R cos (180º - 1) = R (1 - cos 1 ) h2 = R - R cos 2 = R (1 - cos 2 ) Así, Donde:
W = MgR (cos 2 - cos 1 ) “R” : radio pendular (0,8 m) “1” : ángulo elevación del péndulo a la partida (160º) “2” : ángulo elevación del péndulo después del impacto (º)
En el primer caso, el de flexión, la probeta posee un entalle en su parte central para llevar al material a las condiciones más severas posibles. Este entalle genera una condición de concentración de tensiones, limitando la plasticidad de la probeta, llevándola a una sobre exigencia para resistir esta carga. La probeta se instala apoyada en sus extremos, recibiendo el impacto justo en la zona debilitada por el entalle, lo que causará su ruptura. Según estas expresiones, la resiliencia o resistencia al choque por impacto a la flexión se determina por medio de la siguiente expresión:
af Donde:
W A
“W” : trabajo empleado en romper la probeta (Joules: J) “A” : área sección transversal de la probeta, en el lugar del entalle (cm²)
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Figura 2. Probetas con entalladura para impacto por flexión
Figura 3. Esquema del ensayo de impacto por flexión
(Hammer = martillo, Specimen = Probeta) En el segundo caso, el de tracción, la probeta es cilíndrica con sus extremos roscados, y en su parte media tiene un diámetro menor. La instalación de dispositivos de sujeción especial permite aplicar el impacto por tracción. Los resultados, en este caso, no sólo deben considerar la sección transversal de la probeta, sino que además la longitud de la parte de menor diámetro dentro de la cual ocurrirá la ruptura.
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Según estas consideraciones, la resiliencia o resistencia al choque por impacto a la tracción se determina por medio de la siguiente expresión:
at Donde:
W V
“W” : trabajo empleado en romper la probeta (Joules: J) “V” : volumen del tramo cilíndrico de la probeta (cm3) Figura 4. Probetas para impacto por tracción
Factor de corrección: Para obtener el factor de corrección de los ángulos observados, se aplicará los pasos expuestos en el libro “Ensaye e Inspección de los Materiales en Ingeniería. H. Davis, G. Troxell & C. Wiskocil. Edit. CECSA. Pág. 290”: 1- Sin colocar una probeta sobre el yunque y el indicador colocado en 0, libérese el péndulo de manera normal. Regístrese la lectura del indicador como ángulo B 1=158.5 ° . 2- Sin reajustar el indicador, libérese nuevamente el péndulo de manera normal. Como usualmente mover el indicador requiere una pequeña cantidad de energía, este segundo balanceo debe subir más el indicador porque el péndulo no es retardado por señalador excepto en el mero extremo del balanceo. Registre la lectura final como B 2=159 ° . 3- Con el indicador en el ángulo B 2=159 ° , liberese nuevamente el péndulo de manera normal y permítase 11 balanceos. Registre como ángulo final B 3=150,2° . Sea :
B 1=158.5 °
B 2=159 °
B 3=150,2°
12 La energía requerida para mover el indicador a través del ángulo 159° - 158.5° = 0.5°
B 2 , es representada por un angulo B 2 - B 1 =
El ángulo promedio de elevación entre las lecturas B 2 y B 3 , es ( 154.5° ¿ ; de ahí que un balanceo promedial completa, hacia arriba y hacia abajo es aproximadamente:
° ( 159° +150 )∗2=309 ° 2 La energía perdida por el arrastre del aire y la fricción pendular de un balanceo promedio hacia arriba está representada por un ángulo
( 159°10−150° )=0,9 °
De esta manera, la energía perdida en un balancea ya sea descendente o ascendente de ángulo
B 2 esta representada por un
∗0.9=0,46 ° ( 159° 309 )
El ángulo de caída efectiva es de 159° + 0,46° = 159,46°. La energía total perdida en el arrastre del aire y fricción articular del péndulo y la del indicador durante un balanceo ascendente de B 2, está representada por un ángulo 0,46° + 0,5° = 0,96° El ángulo de ascenso corregido después de la ruptura de la probeta es: Ángulo corregido = ángulo observado + 0,96° x ángulo observado/ 159 El factor de corrección está dado por la siguiente ecuación:
Ángulo corregido=ángulo observado∗(1+
0.96 ° ) 159
Bibliografía
Guía de Laboratorio E985 “Ensayo dinámico”, Depto. De Ingeniería Mecánica, USACH. Ensaye e Inspección de los Materiales en Ingeniería. H. Davis, G. Troxell & C. Wiskocil. Edit. CECSA. Pág. 290
