Ensayo de Tracción de Materiales Compuestos.
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ENSAYO DE TRACCIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS Jairo Jaque
[email protected] [email protected] om
apli aplica cada da&& las las m+qu m+quin inas as est+ est+n n cone conect ctad adas as a un ordena ordenador dor que re)ist re)istra ra el despla despla,am ,amien iento to y la car)a car)a le0da.
RESUMEN: se realizó un ensayo de tracción de materiales compuestos para ello utilizamos una probeta normaliz normalizada ada en base a la norma ASTM !"!#$"%&los !"!#$"%&los result resultado ados s obteni obtenidos dos no son muy agradabl agradables es ya que estas probetas no soportaron cargas superiores a 135kg el ensayo ensayo se lo realiz realizo o con ayuda ayuda de una maqui maquina na universal.
PALABRAS CLAVE ' tensión& de(ormación nominal& elon)ación& materiales compuestos.
1 INTRODUCCIÓN El ensayo a tracción es la (orma *+sica de o*tener in(ormació in(ormación n so*re el comportami comportamiento ento mec+nico mec+nico de los mate materi rial ales es.. Medi Median ante te una una m+qu m+quin ina a de ensa ensayo yos s se de(orma de(orma una muestra muestra o pro*eta pro*eta del material material a estudiar& estudiar& aplicando la (uer,a unia-ialmente en el sentido del eje de la muestra muestra.. A medida medida que que se va de(orm de(ormand ando o la muestra& se va re)istrando la (uer,a car)a/& lle)ando )eneralmente hasta la (ractura de la pie,a. As0 pues& el result resultado ado inmedi inmediato ato es una curva curva de car)a car)a (rente (rente a alar alar)a )ami mien ento to&& que que tran trans( s(or orma mado dos s en tens tensió ión n y de(ormación& en (unción de la )eometr0a de la pro*eta ensayada& aportan una in(ormación m+s )eneral.
4i)ura 5. M+quina de ensayo de tracción 2a pro*eta a ensayar se sujeta por sus e-tremos al ca*e,al móvil de la m+quina de ensayos y a la c6lula de car)a& car)a& respec respectiv tivame amente nte.. 2as morda, morda,as as se sujeci sujeción ón de*en mantener (irme a la muestra durante el ensayo& mientras se aplica la car)a& impidiendo el desli,amiento. A su ve,& no de*en in(luir en el ensayo introduciendo tens tensio ione nes s que que cause causen n la rotu rotura ra en los los punt puntos os de sujeci sujeción. ón. 7ara 7ara que el ensayo ensayo se consid considere ere v+lido v+lido la rotura de*e ocurrir dentro de la lon)itud cali*rada& en la parte central de la pro*eta. A partir de las dimensiones iniciales de la pro*eta& se trans(orman la (uer,a en tensión y el alar)amiento en de(o de(orm rmac ació ión& n& que que nos nos perm permit ite e cara caract cter eri, i,ar ar las las propiedades mec+nicas que se derivan de este ensayo.
2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL Comp Compar arar ar las las di(er i(eren enttes de(ormación de las tres pro*etas.
)ra( )ra(ic icas as
tensi ensión ón
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS . Conocer como act1an las pro*etas lue)o de aplicar una (uer,a perpendicular a la super(icie. Anali,ar los resultados de las pro*etas hechas de resina y (i*ra.
3.2 TENSIÓN (NOMINAL) [1
3 FUNDAMENTO TEÓRICO
2a tens tensió ión n nomi nomina nall 8 se de(i de(ine ne medi median ante te la reacción
3.1 MAQUINA DE ENSAYO DE TRACCION (1) 2a m+quin m+quina a de ensayo ensayo impone impone la de(orm de(ormaci ación ón desp despla la,a ,and ndo o el ca*e ca*e,a ,all móvi móvill a una una velo veloci cida dad d sele selecci ccion ona* a*le le.. 2a celd celda a de car) car)a a cone conect ctad ada a a la morda,a (ija entre)a una se3al que representa la car)a
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. En donde 4 es la car)a instant+nea aplicada perpendicularmente a la sección de la pro*eta& en unidades de ne9ton :/ o li*ras (uer,as ;*(/& y A" es el +rea de la sección ori)inal antes de aplicar la car)a m< o pul) 5Mpa ? 5" :M<.
$ Zona elástica: 2a re)ión a *ajas de(ormaciones hasta el punto 7/& donde se cumple la 2ey de Dooe' 8 ? E F E ? modulo el+stico/. $ Zona plástica: A partir del punto 7. Se pierde el comportamiento lineal& el valor de tensión para el cual esta transición ocurre& es decir& se pasa de de(ormación el+stica a pl+stica& es el 20mite de Elasticidad& 8y& del material. espu6s de iniciarse la de(ormación pl+stica& la tensión necesaria para continuar la de(ormación en los metales aumenta hasta un m+-imo& punto M& Gesistencia a tracción GT ó TS/& y despu6s disminuye hasta que (inalmente se produce la (ractura& punto 4. 2a Gesistencia a Tracción es la tensión en el m+-imo del dia)rama tensión$de(ormación nominales.
3.3 DEFORMACIÓN (NOMINAL) [1 (2) En donde l " es la lon)itud ori)inal antes de aplicar la car)a& y li es la lon)itud instant+nea. Al)unas veces la cantidad li$l" se indica simplemente mediante Bl& y es el alar)amiento producido por la de(ormación& o cam*io en la lon)itud en un instante determinado& con respecto a la lon)itud inicial. 2a de(ormación nominala partir de ahora llamada simplemente de(ormación/ no tiene unidades& aunque a menudo se utili,a pul)adas por pul)adas o *ien metros por metro> el valor de la de(ormación o*viamente es independiente del sistema de unidades. .
Esto corresponde a la m+-ima tensión que puede ser soportada por una estructura a tracción> si esta tensión es aplicada y mantenida& se producir+ la rotura. Dasta lle)ar a este punto& toda la de(ormación es uni(orme en la re)ión estrecha de la pro*eta. Sin em*ar)o& cuando se alcan,a la tensión m+-ima& se empie,a a (ormar una disminución locali,ada en el +rea de la sección transversal en al)1n punto de la pro*eta& lo cual se denomina estricción& y toda la de(ormación su*si)uiente est+ con(inada en la estricción. 2a (ractura ocurre en la estricción. 2a tensión de (ractura o *ien de rotura corresponde a la tensión en la (ractura.
3.! GR"FICA TENSIÓN VS DEFORMACIÓN 3.# DEFORMACIÓN EL"STICA [2 e(inimos elasticidad como la propiedad de un material en virtud de la cual las de(ormaciones causadas por la aplicación de una (uer,a desaparecen cuando cesa la acción de la (uer,a. H=n cuerpo completamente el+stico se conci*e como uno de los que reco*ra completamente su (orma y dimensiones ori)inales al retirarse la car)aH. ej' caso de un resorte al cual le aplicamos una (uer,a. El )rado con que una estructura se de(orma depende de la ma)nitud de la tensión impuesta. 7ara muchos metales sometidos a es(uer,os de tracción peque3os& la tensión y la de(ormación son proporcionales se)1n la relación. Esta relación se conoce con el nom*re de ley de Dooe& y la constante de proporcionalidad& E M7a/ es el módulo de elasticidad& o módulo de Ioun).
4i)ura <. ra(ica tensión vs de(ormación. Tomado de
http://jmcacer.webs.ull.es/CTMat/Practicas %20Laboratorioarchi!os/traccio".p#$
Cuando se cumple que la de(ormación es proporcional a la tensión& la de(ormación se denomina de(ormación el+stica> al representar la tensión en el eje de coordenadas en (unción de la de(ormación en el eje de a*scisas se o*tiene una relación lineal'
Curva t0pica de tracción hasta la (ractura& punto 4. 2a resistencia a la tracción TS est+ indicada en el punto M. 2os insertos circulares representan la )eometr0a de la pro*eta de(ormada en varios puntos de la curv a. En la curva podemos distin)uir dos re)iones'
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4i)ura K. ra(ica de la de(ormación el+stica a pl+stica. Tomado de http'jmcacer.9e*s.ull.esCTMat7racticas L<"2a*oratorio_archivostraccion.pd(.
4i)ura !. ra(ica de la de(ormación el+stica. Tomado de http://jmcacer.webs.ull.es/CTMat/Practicas %20Laboratorioarchi!os/traccio".p#$ . 2a pendiente de este se)mento lineal corresponde al módulo de elasticidad E. Este módulo puede ser interpretado como la ri)ide,& o sea& la resistencia de un material a la de(ormación el+stica. Cuanto mayor es el módulo& m+s r0)ido es el material& o sea& menor es la de(ormación el+stica que se ori)ina cuando se aplica una determinada tensión.
a/ tracción t0pica de un metal que muestra las de(ormaciones el+stica y pl+stica& el limite proporcional 7 y el limite el+stico 8y& determinado como la tensión para una de(ormación pl+stica del ".""<. */ Curva de tracción t0pica de al)unos aceros que presentan el (enómeno de la discontinuidad de la (luencia.
3.$ DEFORMACIÓN PL"STICA [2
3.% MATERIALES COMPUESTOS
e(inimos como plasticidad a aquella propiedad que permite al material soportar una de(ormación permanente sin (racturarse. Todo cuerpo al soportar una (uer,a aplicada trata de de(ormarse en el sentido de aplicación de la (uer,a. En el caso del ensayo de tracción& la (uer,a se aplica en dirección del eje de ella y por eso se denomina a-ial& la pro*eta se alar)ara en dirección de su lon)itud y se enco)er+ en el sentido o plano perpendicular. Aunque el es(uer,o y la de(ormación ocurren simult+neamente en el ensayo& los dos conceptos son completamente distintos.
7or ejemplo una (i*ra es e-tra0da de la hoja de la ca*uya 4urcraea Andina/& la misma que es una planta que crece en (orma silvestre o cultivada en los valles y laderas de los Andes y pertenece a la (amilia de las a)av+ceas. 2a ca*uya es ampliamente distri*uida en la sierra del Ecuador& esta se cultiva en los valles y en las estri*aciones de la cordillera para la o*tención de su (i*ra. Se trata de una planta arrocetada que alcan,a hasta 5& metros de altura en su parte ve)etativa y si se incluye la estructura reproductora& puede alcan,ar hasta los 5 metros. 2a ca*uya es una (i*ra resistente& dura*le y +spera& sus propiedades mec+nicas se muestran en la Ta*la.
7ara la mayor0a de los materiales met+licos& la de(ormación el+stica 1nicamente persiste hasta de(ormaciones de alrededor de "."". A medida que el material se de(orma m+s all+ de este punto& la tensión deja de ser proporcional a la de(ormación y ocurre de(ormación pl+stica& la cual es permanente& es decir no recupera*le.
Tabla 1 ropiedades mecánicas de la !ibra de cabuya
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. Tomando en cuenta que la resistencia a la tracción de la resina poli6ster oscila entre K" y #" M7a& la (i*ra de ca*uya constituye una *uena opción para la ela*oración de materiales compuestos. Adem+s& en nuestro pa0s se encuentran disponi*les di(erentes tipos de (i*ras y tejidos ela*orados con (i*ra de ca*uya& los cuales son utili,ados principalmente en aplicaciones artesanales y podr0an usarse en la ela*oración de materiales compuestos. +sicamente e-isten dos tipos de hilos de ca*uya& el hilo (ino y el hilo )rueso. 2os di+metros apro-imados de estos hilos son "&# mm y 5& mm. 7or esta ra,ón& y de*ido a la caracteri,ación mec+nica que requieren las pro*etas de un material compuesto& en el proyecto 7;C$"%$K#! se tra*ajó con (i*ra (ina de ca*uya& ya que el hilo )rueso di(iculta el procesamiento del material dentro de los moldes. Asimismo& e-isten di(erentes tipos de tejidos de (i*ra de ca*uya& los m+s utili,ados son conocidos con los nom*res de tejido )rueso& normal y (ino.
Con respecto al módulo de elasticidad tam*i6n e-istió un incremento en relación al módulo de la matri, de resina poli6ster& siendo los materiales de mayor (racción volum6trica los que muestran un mayor aumento Estos resultados se complementan con &' de elon)ación a la ruptura. En este caso& el aumento en la ri)ide, del material se tradujo en la disminución de su capacidad de alon)arse.
! MATERIALES Se utili,ó como re(uer,o pelos de vaca y tejido de ca*uya. Como matri, del material compuesto se empleó resina poli6ster insaturada& que a su ve, (ue diluida con estireno monómero. Como iniciador del proceso de curado de la resina se utili,ó co*alto al 5"L y como catali,ador peró-ido de metil$etil cetona MEN7/. 4inalmente& como a)ente de desmóldelo se usó cera desmoldante Simoni,.
# PREPARACIÓN DE PROBETAS Ela*oración de pro*etas de material compuesto& se (a*ricaron moldes de tres pie,as en acero ino-ida*le A$
4i)ura K. Tipos de tejido de ca*uya a/)rueso */normal c/(ino
4i)ura . Comportamiento mec+nico de los materiales compuestos
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. Tabla " #imensiones de probetas
PELOS DE TEJIDO DE VACA CABUYA Laro (mm) 350 &"cho #e secci'" maor(mm) 35 Laro #e secci'" maor (mm) 100 &"cho #e secci'" i"terior "ormalia#o(mm) 25 Laro #e la secci'" i"terior(mm) 150 *spesor(mm) 4,2
FIBRA DE CABUYA
PROBETAS
350 25 100 25 160 3,8
25 2,5
$ PROCEDIMIENTO $.! 6.1
4i)ura#. Medir la mitad de la pro*eta
$.#
4i)ura . Colocar las morda,as y las al,as en la maquina universal
$.2
4i)ura O. Medir las dimensiones de las pro*etas
$.3 4i)ura 5". ar una medida de <& cm a cada lado para u*icar el de(orm0metro.
$.$
4i)ura 55. Con una punta y martillo reali,ar unos puntos
4i)ura %. Colocar las al,as en am*as partes tanto en la posterior como en la in(erior
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$.%
4i)ura 5< 2a lon)itud total de esto ser+ " mm distancia de am*os lados
$. 4i)ura 5. =*icamos el de(ormimetro en los puntos anteriormente reali,ados.
$.11
4i)ura 5! 2a pro*eta se in)resa desde la parte superior de la maquina universal
$.*
4i)ura 5. ar una precar)a y enceramos el de(ormimetro.
$.12 4i)ura 5K. Ajustar en am*os lados las morda,as Colocar el de(ormimetro en la parte de la pro*eta de menor sección.
$.1+
4i)ura 5O. Echamos a (uncionar la m+quina y procedemos a tomar los datos 6
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$.12
4i)ura 5%. P*servamos lo que ocurre con la pro*eta
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% RESULTADOS %.1 PROBETA DE PELOS DE VACA
En donde la de(ormación m+-ima (ue de "."%Kmm
Tabla 3. $uerzas y de!ormación de probeta de
Carga (g!
Carga "# ($!
%r"a(&& 2!
T"#')#($*&& 2!
D"+r&a-)#(& &!
20
16
105
1,8666666
0,025
40
32
105
3,3333333
0,055
54
52,2
105
5,04
0,0
D"+r&a-) # #&#a. 0,0001562 5 0,000343 5 0,000435
/). " E.a'-a 4,666666 6,888 2
pelos de vaca
Carga (kg) 10 120 20 0 1-
Carga
Deformación
20 + 0 +
0,020,0--
-+
0,00
Carga (N) 1 13 22 2 12
%.2 PROBETA TEJIDO FIBRAS DE CABUYA En donde la de(ormación m+-ima es i)ual a "&%K. Tabla 5. &esultados de probeta de te'ido de
en Área (mm2) -
Tensión (N/mm2) 0,-1- 1,01-1,-32 2,031- 2,- ,03 ,310-232 ,1231- 1,231-
Deformación (mm) 0,01 0,02 0,02 0,0 0,0-1 0,032 0,00,0 0,0
-1,- -1,- -,01-2 --,31021 -0,-3--3 ,1-1103 ,10-0 ,122002 13-, cabuya.
Tabla %. &esultados de probeta de pelos de vaca.
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Módulo de Elasicidad
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4i)ura 5#. r+(ica Tensión vs de(ormación pro*eta pelo de vaca/
4i)ura <". r+(ica de(ormación pro*eta pelo de
Tensión vs tejido de vaca/
%.3 PROBETA FIBRAS DE CABUYA Tabla 5. &esultados de cabuya.
CAR A (g! 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
CAR ARE A A ($! (&&2 ! 0 62,5 16 62,5 32 62,5 588 62,5 84 62,5 80 62,5 116 62,5 132 62,5 1568 62,5 164 62,5 160 62,5
probeta de te'ido de
TE$SI DEFOR/ACI DEFOR/ACI /ODULO DE $ $ O$ ELASTICIDA ($*&&2 (&&! $O/I$AL D ! 0 0,00124 0,000005 0 3,136 0,0025 1,5625E705 20004 6,22 0,0036 0,0000235 26683,61 ,408 0,0051 3,185E705 25152,41 12,544 0,00624 0,00003 321641,026 15,68 0,005 4,685E705 334506,66 18,816 0,0088 0,000055 34210,01 21,52 0,0102 0,0000635 344345,08 25,088 0,01124 0,0000025 35124,555 28,224 0,0125 ,8125E705 36126,2 31,36 0,013 8,5625E705 366248,15 9
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220 240 260 280 300 320 340
2156 2352 2548 244 240 3136 3332
62,5 62,5 62,5 62,5 62,5 62,5 62,5
34,46 3,632 40,68 43,04 4,04 50,16 53,312
0,0151 0,0162 0,015 0,0188 0,0201 0,0212 0,0225
,435E705 0,00010125 0,0001038 0,000115 0,00012563 0,0001325 0,00014063
365520,53 3164,04 3236 33651,064 3444,61 38686,2 310,556
4i)ura <". r+(ica Tensión vs de(ormación pro*eta pelo de tejido de vaca/
CONCLUSIONES 2as )r+(icas tienden a incrementar ya que la tensión va aumentado directamente con la de(ormación este tipo de )ra(icas es com1n en los materiales compuestos& en donde las dos primeras pro*etas no soportan mucha car)a ya sea por motivo de la mala ela*oración de la pro*eta una mala me,cla de la resina con las (i*ras. 2a tercera pro*eta soporta una car)a mayor lle)ando a !K" ) mientras que las dem+s apenas lle)aron a K) y 5!) urante el ensayo se pudo o*servar que no e-ist0a una *uena compati*ilidad entre las (i*ras y la res ina.
* REFERENCIAS Q5Rhttp'999.itescam.edu.m-principalsyla*us(pd*recursosr %"#<.74 Q
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