INFORME DE LABORATORIO MECANICA APLICADA ENSAYO DE TORSION Nicolás Sánchez Parra; Código: 20121015107
[email protected] Gabriel Díaz l; Código: 20142015031
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RESUMEN: En el presente informe se muestran las propiedades que evidenciada en el aluminio al ser sometido a un par torsor por medio de maquina conocida como SM 21 Advanced Torsión Testing Machine, la cual por medio de unas ciertas revoluciones, generaba un momento torsor alrededor del eje, dando así un desplazamiento circular en la sección trasversal de la probeta, y por consiguiente deformándola.
Fuente: https://infogr.am/4wMDRkfJaKLFKhwc
INTRODUCCION En la industria, como ya sabemos muchos instrumentos están sometidos a ciertas cargas. En tal caso, es necesario conocer las características del material para que cuando el instrumento sea sometido a un determinado esfuerzo, este no sea excesivo y el material no sufra alguna fractura. Además se sabe que el comportamiento de un material es la relación entre la deformación y la fuerza aplicada. En el caso de la torsión el material sufre un desplazamiento circular en una determinada sección transversal en respuesta a una fuerza que produce un momento torsor alrededor del eje. Los elementos sometidos a torsión se encuentran en muchas situaciones de ingeniería. La aplicación más común la representan los ejes de transmisión, que se emplean para transmitir potencia de un punto a otro. Por ejemplo, el eje mostrado en el tren de trasmisión automotriz se utiliza para transmitir potencia del motor a las ruedas traseras de un automóvil.
OBJETIVOS: GENERAL: Determinar y reconocer por medio de un ensayo de torsión las características del aluminio y su comportamiento al llegar a la deformación. ESPECIFICOS
Realizar la gráfica esfuerzo-deformación para identificar puntos clave Como punto de fluencia, esfuerzo máximo.
1.
Calcular el módulo de rigidez, resistencia a la fluencia. y Compararlo con distintos tipos de materiales.
2.
Definir en la tipo de ruptura en la probeta.
Debido a que el momento torsor es aplicado mediante una serie de revoluciones, estas revoluciones determinaran el ángulo de torsión mediante:
MARCO TEORICO. Prueba de Torsión La prueba de torsión es una se realiza para determinar las propiedades por cortante de los materiales, en este ensayo se usa una probeta tubular delgada, para obtener una distribución de esfuerzo y de deformación uniforme. La prueba consiste en someter una probeta de dimensiones conocidas a una carga a torsión progresiva generando un momento torsor alrededor del eje, y desplazando de manera circular una determinada sección transversal, hasta el colapso.
φ=
revoluciones∗0,3 °∗π 180 °
El esfuerzo cortante τ que experimenta el material en una probeta circular varía linealmente con la distancia desde el eje la superficie del cilindro. Igualando la suma de momentos de las fuerzas ejercidas en cualquier sección del eje a la magnitud T del par de torsión aplicado al eje, se deduce que:
τ=
TC I
Al igual que en las demás pruebas que se realizan en los materiales (como en la prueba de flexión), existe una diferencia fundamental entre el comportamiento de un material dúctil y uno frágil, y es que mientras el material dúctil experimenta una gran deformación, el material frágil no se deforma demasiado. Tipos de Fractura en la Prueba de Torsión Fuente: Mecanica de Materiales Beer Johnston 5ta
edicion
Si una probeta de una longitud L, es sometida a un toque T genera un ángulo de torsión igual a
φ=
T∗L G∗I
En un ensayo de torsión, donde haya fractura en el material, este es sometido a un esfuerzo y por lo tanto colapsa. Una diferencia fundamental entre en comportamiento de un material frágil, y un dúctil, es que el material dúctil suele colapsar en planos ortogonales al eje longitudinal y el material frágil lo hace según planos a 45 º.
Donde G es el módulo de rigidez de ese material e J es el momento de inercia de la sección transversal de la probeta. La deformación angular (γ) que presenta la probeta se calcula mediante
γ=
φ∗C L
Donde C es el radio de la probeta.
Fuente: Apuntes de diseño de máquinas
Tipos de Esfuerzo Un esfuerzo es la tensión interna que presenta un cuerpo sometido a todo a la acción de una o varias fuerzas. Existen varios tipos de esfuerzos los cuales son: 3.
Compresión (Cuando las fuerzas tienden a chafarlo o aplastarlo) Tracción (Cuando las fuerzas tienden a estirarlo o alargarlo) Torsión (Cuando las fuerzas tienden a retorcerlo) Flexión (Cuando las fuerzas tienden a doblarlo) Cortante (Cuando las fuerzas tienden a cortarlo)
4. 5. 6. 7.
El esfuerzo de comprensión y de tracción tiende a cambiar la longitud del material, además estos esfuerzos tiene la misma dirección del eje del material y según su valor puede generar una cierta fractura en el elemento, mientras que, el esfuerzo de torsión, flexión y de cortante, son considerados como esfuerzos cortantes, debido a que tienden a deslizar porciones adyacentes del material, una sobre otra, y la aplicación de esfuerzos va en dirección de las lados de un elemento que tiende a deflactarse, y si es bastante grande la carga también genera una fractura. Tipos de Deformación: La deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos en un elemento producidos por una o más fuerzas aplicadas. La deformación (ε) se define como el cociente entre el alargamiento δ y la longitud inicial L, lo que seria
ε=
δ L
Existen dos tipos de deformación en los materiales, las cuales son:
Deformación Elástica: se caracteriza porque un componente recupere su forma inicial, cuando cesa la acción del esfuerzo aplicado, los materiales frágiles suelen presentar solo esta deformación seguido de una fractura, cuando alcanzan niveles suficientemente elevados de tensión. Deformación Plástica: En la deformación plástica los materiales dúctiles, después
de haber tenido una deformación elástica, presentan un cambio en sus dimensiones de forma permanente, incluso si cesa la acción del esfuerzo aplicado. Tras la deformación elástica y plástica, esfuerzos superiores conducen a la fractura, aunque un mismo material puede presentar un comportamiento distinto en función de las condiciones ambientales y de la aplicación de los esfuerzo. Propiedades de los Materiales Las propiedades de los materiales son el conjunto de características que hacen que el material se comporte de una manera determinada ante estímulos externos. Las propiedades mecánicas describen el comportamiento del material bajo una fuerza que los deforma. Algunas de las propiedades mecánicas son: Elasticidad: propiedad de los materiales de recuperar su forma original cuando deja de actuar sobre ellos la fuerza que los deformaba. Plasticidad: propiedad d los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes. Dureza: es la resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro. El más duro es el diamante. Tenacidad: es la resistencia que ofrece un material a romperse cuando es golpeado. Fragilidad: seria lo contrario a tenaz. Es la propiedad que tienen el cuerpo de romperse fácilmente cuando son golpeados. Fluencia: lenta y continua deformación que sufre un material a alta temperatura bajo la acción de una carga constante. Resistencia a la fatiga: el tiempo que influye en el comportamiento de los materiales sometidos a la acción de diferentes esfuerzos. Maleabilidad: facilidad de un material para extenderse en láminas o planchas. Ductilidad: propiedad de un material para extenderse formando cables o hilos. Constantes que se determinan en los materiales: Límite de Proporcionalidad: tensión a
partir de la cual las deformaciones dejan de ser proporcionales a las deformaciones Límite de elasticidad (límite de la fluencia): tensión a partir de la cual las deformaciones en la probeta dejan de ser reversibles. Su valor es muy próximo al límite de proporcionalidad, aunque en la gráfica se separe para verlo con más claridad, en general no suelen ser diferentes. Límite de deformación permanente: tensión que provoca una deformación permanente igual a un determinado porcentaje de la longitud inicial., Módulo de rigidez (módulo de Young): relación entre la deformación y la tensión en la zona de comportamiento proporcional. Esfuerzo máximo: El esfuerzo que soporta la probeta a antes de que falle.
Para el caso de la práctica de torsión podemos definir propiedades de elasticidad y plasticidad del material, y el cálculo del límite de proporcionalidad, elasticidad, módulo de rigidez y esfuerzo máximo que presenta el material. METODOS Y PROCEDIMIENTO: Descripción del equipo: SM 21 Advanced Torsión Testing Machine:
mediante dos poleas generando el torque en uno de los extremos de la probeta mientras el otro se mantiene fijo. Procedimiento Experimental: En primer lugar, se toman las medidas correspondientes al diámetro y a la longitud inicial de la probeta. Posteriormente, se traza una línea con marcador a lo largo de la sección cilíndrica de la probeta paralela al eje longitudinal. Luego, la persona a cargo se dispone a fijar la probeta en la máquina de torsión, con esto se busca evitar posibles complicaciones durante la práctica. Así mismo, se calibra el tacómetro de revoluciones a cero y se espera a que el medidor de torque se estabilice. Para la respectiva toma de datos, se realiza una tabla, en la cual se registra el valor del torque ha cierto intervalo de revoluciones. Estos datos se toman para su uso posterior en la construcción de la gráfica “Esfuerzo torsor VS Deformación angular”. Para efectos de simplicidad se toman los intervalos de la siguiente manera: De 10 en 10 revoluciones hasta 200 revoluciones. De 25 en 25 revoluciones hasta 400 revoluciones. De 50 en 50 revoluciones hasta 1200 revoluciones. Se empieza a girar la perilla para aumentar el torque y se toman los datos de acuerdo a la tabla anterior hasta que se produzca fractura en la probeta. Para finalizar, se retira la probeta de las copas de sujeción y se da fin al ensayo. Descripción de la probeta:
Imagen1: Maquina de Torsión
El equipo sirve para el ensayo de torsión de diferentes materiales hasta la rotura. Se mide el par de comprobación o torque mediante un tacómetro. El estribo es corredizo para adaptación a diferentes longitudes de probetas. Funciona
Fuente: http://quimicsdalmauonline.com/index.php?cPath=27_60
Probeta Material Diámetro Longitud
#1 Aluminio 6,00 mm 124 mm
Tabla 1: Características de la Probeta
Normativa: 7800:2003 de la ISO especifica un método para decidir que la capacidad de cable metálico del diámetro o la dimensión característica 0,1 mm a 10 mm inclusivo pase por la deformación de plástico durante la torsión simple en una dirección. ASTM A938-07 (2013), Método de prueba estándar para la torsión de alambre de Pruebas ASTM International, West Conshohocken, PA, 2013 ISO 7800-1981 Específica el método para determinar la capacidad de un material de diámetro o espesor de 0,3 a 20 mm inclusive a someterse a deformación plástica durante torsión sencilla. La prueba consiste en una pieza de ensayo de torsión girando alrededor de su propio eje en una dirección. Grafica 2: Esfuerzo vs Deformación Aluminio, Bronce, Acero 1020
ANALISIS DE RESULTADOS: Debido a que los datos tomados en el laboratorio son el ángulo de torsión y el torque, procedemos a calcular la deformación angular (γ) y el esfuerzo cortante (τ) para poder así, graficar y determinar diversas propiedades del material. En base a estos datos calculamos la grafica
Anexo
a
esto,
graficamos
la
deformación angular (γ) y el esfuerzo cortante (τ) del acero 1020 y el bronce.
Propiedades de los materiales Aluminio Material Diámetro Módulo de Rigidez Esfuerzo Ultimo Limite Elástico Tipo de Fractura
Aluminio 6,00 mm 2559,29 358,993 Mpa 301,8 Mpa Dúctil Tabla 4: Propiedades del aluminio
Bronce
Material Diámetro Módulo de Rigidez Esfuerzo Ultimo Limite Elástico Tabla 3: Resumen datos deformación angular (γ) y el esfuerzo cortante (τ) Tabla 2: Resumen datos obtenidos del laboratorio
Grafica 1: Esfuerzo vs Deformación Aluminio
Bronce 6.05 mm 27413,16 410,87 Mpa 258,58 Mpa
Tipo de Fractura
Dúctil Tabla 5: Propiedades del Bronce
Acero 1020
Material Diámetro Módulo de Rigidez Esfuerzo Ultimo Limite Elástico Tipo de Fractura
Acero 1040 6,01 mm 85483,44 742,15 Mpa 670,89 Mpa Dúctil Tabla 6: Propiedades del Acero 1020
Si evidenciamos en la gráfica 2, veremos que el bronce presenta una zona plástica mucho mayor que el aluminio y el acero 1040, y dado que en la zona plástica nos indica cuanto es capaz de deformarse un material sin romperse, podemos decir que el bronce es más dúctil que el aluminio y el acero 1020. En la zona plástica evidenciamos el módulo de rigidez, el cual determina la facilidad o dificultad de deformar un material por un esfuerzo cortante, por tanto, si un material tiene un módulo de rigidez bajo, se puede decir que es fácil deformarlo; si verificamos el módulo de rigidez del acero 1020, veremos que es mucho mayor que en el aluminio y el bronce, por tanto se puede decir que es más fácil deformar materiales como el aluminio y el bronce que el acero 1020, además se evidencia en el acero 1020 una zona plástica menor que la del aluminio y el bronce, entonces podemos decir que el acero 1020 es más rígido que el bronce y el aluminio. Analizando el límite elástico de los tres materiales, evidenciamos que el bronce y el aluminio poseen un valor parecido pero un tanto menor al del acero, entonces se puede decir que el bronce y el aluminio pierden su propiedad elástica y se deforman permanentemente con esfuerzos menores al del acero 1020.
Imagen 2: Probeta de Aluminio Fracturada
Si nos fijamos en la ruptura provocada en la probeta de aluminio, nos daremos cuenta que es una fractura de tipo dúctil, cuando un material dúctil esta puesto bajo una torsión, el material tiende a transponer ciertas porciones de este, por tanto al torcer el material hasta el colapso y estas serie de giros que da antes de romperse, es lo que evidenciamos en la ruptura totalmente plana, mientras por el caso de los materiales frágiles, estos no se deforman demasiado entonces al momento de romperse, simplemente lo hacen a ángulos de 45º. La fractura dúctil, la evidenciamos en los tres tipos de materiales, a pesar de que el acero presente carácter rígido, también tuvo este tipo de fractura, además evidenciamos que la ruptura que debía ser en centro de la probeta, se dio en uno de los extremos, por tanto podemos decir que el material presenta un carácter isotrópico, entonces decimos que no presenta las mismas propiedades en todos los puntos del material. CONLUSIONES: El aluminio al ser sometido a un esfuerzo cortante, presenta una zona plástica y una zona elástica,
esto lo hace ser un material dúctil, debido a que es capaz de deformarse más que otros materiales como el acero 1020 sin romperse, además podemos corroborar con la fractura que tuvo el material.
estos se dieron mediante una persona, por tanto involucra un error humano.
Comparativamente el aluminio posee propiedades mecánicas aparentemente parecidas con el bronce como lo son el módulo de rigidez y el límite elástico, aunque el aluminio presenta mayor rigidez que el bronce y por tanto su deformación antes de la ruptura es menos.
LAB. MECANICA DE MATERIALES UNAH. Normas para pruebas de mecánica. Consultado el 10 de abril 2016. FUENTE:https://sites.google.com/site/labmecanic adematerialesunah/noticias/normasastmparaprueb asmecanica
Dado que el aluminio puro posee muy poca resistencia a la deformación y esfuerzo máximo reducido, lo cual se evidencio en esta práctica, por tanto en la industria se encuentra más en alecciones con otros metales.
Mecánica de materiales, 5ta Edición – Ferdinand P. Beer, E. Russell Johnston, John T. Dewolf y David F. Mazurek.
Se evidencia un cierto carácter isotrópico del material en lo que respecta a la fractura, por lo que esta se dio en un extremo de la probeta y no en el centro de esta. Existe la posibilidad de que haya un cierto error en los datos, debido a que cuando se recolectaron,
BIBLIOGRAFIA.
Tecnología de proceso y transformación de materiales Maria Nuria Salán Ballesteros, Upc Edicions Upc Apuntes de diseño de máquinas Juan Manuel Marín García 2013
