Laboratorio de Ciencia e Ingeniería de Materiales Ensayo de Flexión e Impacto 5 – julio – 17, I Término 2017 – 2018 Nolivos Galarza Nicky Roberto Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil – Ecuador
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Resumen Uno de los objetivos de la práctica fue evaluar el comportamiento de los materiales metálicos sometidos a esfuerzos de flexión usando flexión de tres puntos en el ensayo de flexión, para esto se aplicó una fuerza de doblez en el centro a probetas alargadas apoyadas en cilindros libremente por los extremos, los cuales tenían una separación igual a veinte veces el diámetro de la probeta. Se midió la fuerza requerida para doblar una viga determinando la relación entre tensión en flexión y extensión en la deflexión. Se usaron las normas ASTM E 290, ASTM E 855 y ASTM D 790. La práctica de ensayo de impacto tuvo como objetivo evaluar la resistencia a la fractura de los metales mediante ensayos de impacto de probetas con entallas. Para esto se utilizó barras con sección cuadrada con entallas en forma de V y se las colocó en posición horizontal para realizar el ensayo CHARPY. Con este ensayo se comprobó si el material presentaba un comportamiento dúctil o frágil a las condiciones de ensayo, o si experimentaba una transición dúctil – dúctil – frágil frágil al disminuir la temperatura. temper atura. Para este ensayo se utilizaron las normas norma s ASTM E 23, 23, ISO 148 – 148 – 1 1 y la EN 10045 – 10045 – 1. 1.
Introducción Ensayo de Flexión El ensayo de flexión se realiza para evaluar el comportamiento esfuerzo – – deformación de un material, determinado la resistencia a la flexión y ductilidad [3]. El esfuerzo que se provoca debido a la flexión se lo conoce como momento flector, el cual es “el momento de fuerza resultante producto de la distribución de tensiones a través de alguna sección transversal de una placa en sentido perpendicular al eje longitudinal” [1]. Este ensayo se usa para elementos soldados y se lo emplea para determinar el control de calidad de la muestra para materiales
sometidos a fuerzas de flexión. Mediante este ensayo se pueden determinar los valores de módulo de elasticidad, resistencia y deformación de flexión. El módulo de elasticidades la medida de la tenacidad y rigidez de un material, el cual aumenta a medida que se incremente la rigidez del material [2]. En este ensayo intervienen las siguientes propiedades: Tensión en flexión, fuerza de flexión máxima y deformación de flexión. Tensión en flexión ( f ) Se calcula en cualquier punto sobre la curva de carga – – deflexión, dependiendo de la sección transversal de la muestra.
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Sección rectangular δf =
εf =
3PL 2bd
( (. . )
Sección circular δf =
6Dd L
(.) .)
εf : Deformación de flexión ∆L) D: Máxima deflexión del centro del arco ( ∆L)
FL πR
(. (. )
L: Longitud entre rodillos de soporte (mm) d: Espesor de la muestra (mm)
Donde:
Módulo de Elasticidad (E f )
δf : Tensión de flexión (MPa) P: Carga a un determinado punto sobre la carga curva – curva – deflexión deflexión L: Longitud del soporte (mm) b: Ancho de la muestra (mm)
Se define como la relación entre la tensión y la deformación dentro del límite elástico. Se calcula por la siguiente ecuación: Ef =
mL 4bd
(. (. )
d: Espesor de la muestra (mm)
Ef : Módulo de elasticidad (MPa)
Fuerza de flexión máxima ( )
m: Tangente de la porción recta de la curva carga – carga – deflexión deflexión (N/mm)
Es la máxima capacidad de un material para resistir una deformación plástica, viene dada por la siguiente ecuación para un ensayo de tres puntos: δf =
3YL 2bd
L: Longitud entre rodillos de soporte (mm) b: Ancho de la muestra (mm) d: Espesor de la muestra (mm)
(. (. )
Donde:
Ensayo de Impacto
δf: Tensión de flexión máxima (MPa)
Mediante la aplicación de una carga sobre una probeta entallada se puede evaluar el comportamiento dúctil o frágil, o en otro caso, si experimenta una transición dúctil – frágil una vez disminuya su temperatura. Este comportamiento es dependiente de la temperatura a la cual se realiza el ensayo, por lo que es común ensayar probetas a temperaturas variadas, para establecer en aquellos materiales que se fragilizan a temperaturas bajas, la temperatura de transición a la cual este cambio de dúctil a frágil se produce [3]. Al ser impactado el material, éste experimenta una fractura dinámica cuya tenacidad es inferior a la fractura estática. Las propiedades mecánicas, físicas y las dimensiones del material determinan el comportamiento del material.
Y: Punto de fluencia en la cual la carga no incrementa al aumentar la deformación L: Longitud entre rodillos de soporte (mm) b: Ancho de la muestra (mm) d: Espesor de la muestra (mm) Deformación de flexión ( ) Es el cambio en la fracción nominal en la longitud de un elemento de la superficie externa de la muestra a la mitad de la longitud del punto de soporte, donde ocurre la deformación máxima. Se calcula por medio de la siguiente ecuación:
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Para ciertos materiales, los resultados mostrados en la práctica de impacto predicen la posibilidad de un comportamiento frágil en un material al ser utilizado. La resiliencia es una magnitud que cuantifica la cantidad de energía almacenada dentro de un material una vez haya sido deformado en forma elástica debido a la acción de una tensión [1]. Técnicas de ensayo La energía de impacto se puede medir mediante dos tipos de ensayos: Ensayo Charpy y Ensayo IZOD. La carga se aplica con un martillo en for forma ma de péndulo de masa (M) y longitud (L), que golpea a la muestra al dejarlo caer desde una altura preestablecida (h) a un cierto ángulo ( α) que permite controlar la velocidad de impacto. Tras la rotura, el péndulo continúa su camino hasta alcanzar una cierta altura y cierto ángulo ( β) [3]. La única diferencia entre estos dos ensayos es la posición de la probeta, ya que en el ensayo Charpy la probeta se coloca en sentido horizontal, mientras que en el ensayo IZOD la probeta se coloca en sentido vertical (Ver Anexo A)
Dependiendo de la capacidad del material de deformarse plásticamente, las fracturas en materiales de ingeniería pueden ocurrir en dos modos: Fractura dúctil y fractura frágil [1]. La mayoría de los metales sufren fractura dúctil. En la vecindad de la grieta los metales muestran deformación plástica, la cual aumenta conforme se incrementen las tensiones. Los cerámicos presentan fractura frágil, en este caso existe poca deformación plástica y se definen como grietas que se propagan sin necesidad de una tensión aplicada. La mayoría de los metales son dúctiles y los cerámicos son frágiles, los polímeros pueden presentar ambos tipos de fractura [3] La fractura frágil es una de las formas de falla más severa de los materiales porque ocurre de forma catastrófica, pudiendo causar pérdidas humanas, económicas y ambientales. Existen factores que influencian la fractura frágil en un material: 1) Estado triaxial de tensiones 2) Aplicaciones a bajas temperaturas 3) Elevadas velocidad de deformación o carga.
Energía absorbida para la fractura de la probeta:
Características de los tipos de fractura de materiales de ingeniería
Ea = MgL[Cos( Cos(β) − cos(α)] (. (. )
Ver Anexo A para la descripción de las figuras correspondientes a fractura de materiales.
Al romperse la muestra, en este caso la probeta, el péndulo mueve una aguja sobre su escala, lo cual permite la toma de medidas de la energía que absorbió la probeta. Al terminar la práctica se determina el tipo de fractura que sufrió la muestra, ya sea dúctil o frágil, así como el porcentaje de cada una de ellas en el caso que sea una fractura mixta. Fractura de materiales La fractura en los materiales ocurre en dos etapas: 1) Formación de la grieta 2) Propagación de la grieta
Equipos, Instrumentación Procedimiento
y
Ensayo de Flexión La instrumentación utilizada durante el ensayo de flexión se encuentra en las Tablas 1 y 2 del Anexo B. Para el ensayo de flexión se empezó con la medición del ancho y el espesor de la probeta, así como la separación de los rodillos sobre el que se asentó la probeta. Este procedimiento se hizo para el cálculo
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del esfuerzo, deformación y el módulo elástico. Luego se identificaron los puntos en donde se aplicará la fuerza aplicada bajo flexión de tres puntos Se definió la velocidad de la carga en base a la medida del espesor de la muestra. Esto Est o se hizo mediante lo establecido por la norma ASTM E 190, 190, de ensayo ensayo de flexión. Se colocó la muestra en la máquina de ensayos luego de seguir los pasos anteriores y posteriormente se aplicó la carga de forma gradual hasta que la probeta presente fractura. Por último, se registró el valor de la carga aplicada para cada valor de deflexión tomado. Ensayo de Impacto CHARPY La instrumentación durante el ensayo de impacto CHARPY se encuentra en las Tablas 3 y 4 del Anexo B. Al iniciar la práctica se procedió a medir la probeta de ensayo para determinar sus dimensiones. Estas dimensiones estándar fueron 10x10x55 mm 3 a un ángulo de 45 o y 2 mm de profundidad en la entalla central centra l de la muestra Las muestras utilizadas fueron sometidas a temperaturas especificadas en la Tabla 5, pero los primeros ensayos se realizaron a temperatura ambiente. Al colocar la muestra en la Máquina de impactos CHARPY, se colocó la entalla del lado contrario al péndulo, debido a que esta zona será impactada por el martillo. El péndulo se elevó hasta una altura que garantice una energía almacenada de magnitud de 300 J. A esta altura se procedió a soltar el péndulo, una recomendación fue de detener el péndulo una vez impactó la muestra y se encontrara de retorno.
Una vez la muestra sufrió el impacto se la retiró y se verificó la superficie de fractura de la misma. Así mismo, se aseguró el péndulo en su posición inicial. Luego se registró la energía absorbida mediante la escala del péndulo a la temperatura previamente establecida. El procedimiento se repitió ahora a distintas temperaturas, para esto se utilizó hielo seco junto a agua. agua. Posteriormente Posteriormente se ingresaba ingresaba la muestra y se tomaron cuatro tomas de temperatura distintas durante un tiempo de estabilización de 5 minutos.
Resultados En las figuras 10 y 1 13 3 del Anexo A se pueden verificar los resultados obtenidos para la varilla de acero corrugada y las probetas usadas en el Ensayo de Impacto CHARPY. Las tablas de los datos brutos se encuentran en las Tablas 6 y 7 para ensayo de flexión y ensayo de impacto.
Análisis de Resultados, Conclusiones y Recomendaciones Se realizó la deformación de tres puntos en la varilla bajo las condiciones establecidas en la Tabla 6 del Anexo B, en el Ensayo de Flexión. Una vez hecha la deformación de la muestra hasta obtener una deflexión de 180 o se obtuvo como resultado que la probeta no presentó fractura visible, tal como se puede observar en la figura 13 del Anexo A. La norma ASTM E290, afirma que al ser deformada una muestra a 180 o ya sea 90 o de cada lado desde el centro, ésta no debe presentar fisuras o fracturas. En la práctica realizada, la varilla corrugada logró deformarse a 180 o sin presentar fisuras. Mediante la observación realizada podemos decir que dicha varilla de hierro con sus respectivas dimensiones obedece a la norma, y puede ser utilizada para trabajar en dichos estándares. Este resultado se dio debido al material escogido, acero, el cual presentó una elevada deformación plástica. 4
De otro modo, variando las dimensiones del diámetro o del material, la varilla hubiera sufrido una fisura debido a la aplicación de las fuerzas. En la práctica de Impacto CHARPY se realizaron tres pruebas con distintas probetas. Los dos primeros intentos no presentaron fracturas a distintas temperaturas, por ello, solo se consideró el resultado de la fractura a 38 oC. En la Tabla 7 se pueden observar los valores de energía almacenada por la probeta luego del impacto. De acuerdo a estos datos, la muestra no cumplió con las dimensiones esperadas. Las pruebas realizadas a otras probetas no fueron consideradas debido al tipo de fractura presentada, por ello se cambió el material de la probeta. La fractura más visible se presentó en la probeta especificada en la Tabla 7. Para la fractura dúctil de la probeta se requirió una mayor energía de impacto debido a la tenacidad del material, en el caso de la práctica, el valor que aumentó debido a la tenacidad del material fue la energía, que presentó un valor de 15,75 Kg*m y un tiempo de exposición de 5 minutos a una temperatura de 38 oC. Se recomienda tener un control de las probetas utilizadas en el ensayo de Impacto CHARPY ya que, utilizando el material correcto para la probeta, se obtendrán las fracturas dúctiles propias de los metales y con los cuales se analizará si la muestra cumple con las especificaciones de las dimensiones establecidas para el ensayo. Además, las mediciones mediciones de la máquina de impacto tuvieron variaciones y al principio no se tuvieron valores correctos, de modo que la aguja no se movió. Esto se debe a que la probeta no absorbió la energía requerida para presentar una medida correspondiente. El tiempo establecido por la práctica para cada temperatura es de 10 minutos, pero por cuestiones de tiempo, la exposición de cada probeta con las cuales se realizaron los
ensayos fue de cinco minutos, lo cual altera la rigidez del material utilizado. Se puede concluir que, al aumentar la temperatura de ensayo, la probeta absorberá una mayor energía, la cual puede ser visible en la escala del péndulo; algo que se pudo comprobar en uno de los intentos durante la práctica, donde con una probeta a una temperatura de 24,7 oC obteníamos un valor de 1.8 Kg*m energía de Impacto, por lo cual se descartó dicho valor, ya que presentaba una elevada resistencia, demostrando la relación proporcional de la temperatura con la Energía. En el caso del péndulo se debe tener un área de precaución ante el movimiento del mismo ya que su movimiento puede provocar accidentes, además que, para establecerlo en su posición firme a su altura determinada, se recomienda moverlo hasta que alcance dicho lugar por inercia en lugar de levantarlo. Se prefiere un tipo de fractura dúctil en lugar de una fractura frágil, ya que debido a su deformación plástica se pueden tomar medidas ante dicho fenómeno de fractura; al contrario de la fractura frágil, cuya propagación de grieta es inminente. No se pudieron realizar cálculos cálcu los debido a la falta de datos tales como el ángulo de deflexión, longitud de rodillos de soporte, punto de fluencia para la práctica de flexión o máxima deflexión del centro del arco.
Referencias Bibliográficas [1]: Callister, William Jr. Introducción Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los materiales, Reverté. [2]: Donald R. Askeland, 1998 Ciencia e Ingeniería de los materiales, Tercera Edición. International Thomson Editores [3]: Guía de Laboratorio de Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Práctica de laboratorio 2: Ensayos de Flexión e Impacto
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(FIMCP, ESPOL). Ana Rivas, mayo del 2017.
Anexos Anexo A
Figura 1. Ensayos 1. Ensayos de flexión de tres puntos (A) y cuatro puntos (B)
Figura 2. Esquema 2. Esquema de una muestra sometida a flexión
Figura 3. Aplicación 3. Aplicación de carga en ensayo CHARPY e IZOD
Char Izod
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Figura 4. Ensayos CHARPY e IZOD, (a) probetas, (b) máquina de ensayos
Figura 5. Cambio de la energía absorbida con la temperatura a dos velocidades de impacto
Figura 6. Tipos de fractura
A
B
C
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Figura 7. Imágenes de fractura dúctil
Figura 8. Imagen de fractura frágil
Figura 9. Máquina de ensayos de impacto
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Figura 10. Calentamiento del agua, Ensayo de Impacto
Figura 11. Fractura dúctil luego del impacto, Ensayo de Impacto
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Figura 12. Aplicación 12. Aplicación de fuerza fuerza de doblez doblez sobre probeta, Ensayo Ensayo de flexión
Figura 13. Varilla deformada por acción de fuerza de doblez, Ensayo de flexión
Anexo B Equipo
Marca Serie Modelo
Máquina Universal de ensayos 600 kN Shimadzu 10313751 UH - 600 kN Tabla 1. Tabla de equipo para Ensayo de flexión Instrumentación Muestras alargadas para ensayos de flexión Micrómetro o Vernier Lápiz permanente Máquina Universal de Ensayos mecánicos Tabla 2. Instrumentación para Ensayo de flexión 10
Equipo Máquina de Impacto CHARPY Marca Tinius Olsen Modelo 74 Código A – A – EM EM – – 059 059 Serie 126030 Tabla 3. Tabla 3. Tabla de equipo para Ensayo CHARPY de Impacto Instrumentación Probetas entalladas para ensayo CHARPY Vernier Máquina de ensayos de Impacto Agua Hielo Etanol Hielo seco Sal Plancha de calentamiento Guantes Pinzas Beakers Agitadores Tabla 4. Instrumentación para Ensayo CHARPY de impacto
Temperatura
Bajo 0°C
0°C
25°C
100°C
Medio de Hielo seco Hielo Temperatura Agua enfriamiento + etanol ambiente hirviendo Tabla 5. Medios de enfriamiento de probetas y condiciones de ensayo, Ensayo de Impacto
Diámetro 12 mm Largo de la barra 200 mm Espacio entre rodillos 72 mm Carga máxima 13.04 kN Deformación 180o Temperatura 20.8 oC Tabla 6. Datos 6. Datos brutos de Ensayo de Flexión Dimensiones de probeta (mm) 10x10x55 Energía de Impacto (Kg*m) 15.75 o Temperatura ( C) 38 Tiempo (min) 5 Código de la muestra 17 - 0473 Tabla 7. Datos brutos de Ensayo de Impacto CHARPY Temperatura Hielo seco Hielo Temperatura ambiente
Energía 180 HV 110 HV 90 HV 11
Agua hirviendo Tabla 8. Resultados por temperatura
75 HV
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