UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL E.A.P DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
ÍNDICE
Introducción ...........................................................................................................2 Objetivos ................................................................................................................3 Materiales y Equipos, Instrumentos y Herramientas.............................................4 Herramientas.............................................4 undamento teórico ...............................................................................................! ! "rocedimiento E#perimental................................................................................$% $% &n'lisis de los datos e#perimentales.......................................................... e#perimentales.......................................................... .........$% $% (onclusiones........................................................................................................$3 $3 )u*erencias y recomendaciones.........................................................................$4 $4 +iblio*ra-a............................................................................................................$4 &ne#os..................................................................................................................$ A.1
"/ndulos de (0arpy Modernas.....................................................$ Modernas.....................................................$
A.2
1so correcto del *oniómetro..........................................................$ $
A.3
1so correcto del ernier................................................................2% 2%
INTRODUCCIÓN Los ensayos de choque determinan, la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la fractura de la probeta de un solo choque, el que se refiere a la unidad de área, para obtener lo que se denomina resiliencia. Este nuevo concepto, tampoco nos ofrece una propiedad definida del material, sino que constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos realizados en idénticas condiciones, por lo que se debe tener muy en cuenta los distintos factores que inciden sobre ella. esumiendo, se puede decir que el objetivo del ensayo de impacto es el de comprobar si una maquina o estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone, muy especialmente cuando las piezas e!perimentan concentraci"n de tensiones, por cambios bruscos de secci"n, maquinados incorrectos, fileteados o bien verificar el correcto tratamiento térmico del material ensayado. En este informe realizaremos el ensayo de #harpy que es realizado para valorar la capacidad de un material metálico de absorber energía cuando es impactado por un cuerpo y así determinar su tendencia hacia el comportamiento de fractura frágil o fractura d$ctil. #on el ensayo de impacto #harpy se obtienen resultados muy dispersos, haciendo necesario tomar varias mediciones de un material, utilizando varias probetas del mismo material en condiciones de temperatura similares% para poder hacer un promedio y obtener un valor más apro!imado al valor real de la tenacidad.
OBJETIVOS:
&nalizar el comportamiento de los materiales metálicos al ser
sometidos a un esfuerzo de impacto. 'eterminar la velocidad en el momento del (mpacto y la altura inicial
a la que es llevado el martillo seleccionado. (dentificar los comportamientos frágil y d$ctil en la fractura de los
metales, mediante observaci"n visual. )bservar y reconocer las posibles diferencias que presentan los diversos materiales en cuanto a ductilidad y fragilidad *en cuanto a su
tolerancia a la deformaci"n+. amiliarizarse con los criterios de valoraci"n de la resistencia de los materiales a las cargas de impacto en el ensayo de #harpy.
'eterminar la tenacidad de los materiales por medio de la prueba de impacto.
MATERIALES Y EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
MATERIALES:
Probetas de Hierro
EQUIPOS:
Péndulo de charpy
Tornillo de Banco
HERRAMIENTAS:
Vernier
Sierra
Lima triangular
Goniómetro
IMPLEMENTOS DE SEGURIDAD:
FUNDAMENTO TEÓRICO ENSAYO DE CHARPY El ensayo de charpy es para ponderar la resistencia al choque en las condiciones especificadas en el mismo, las que son condiciones fragilizantes del material. La resistencia al choque es una medida de la tenacidad de un material, la que se define como la capacidad de absorci"n de energía antes de aparecer la fractura s$bita.
En el ensayo de tracci"n unia!ial fue cuantificada la tenacidad por la energía absorbida por el volumen de la probeta hasta alcanzar la carga de má!ima resistencia, -r. #orresponde a la tenacidad en condiciones de velocidad de aplicaci"n de carga calificada como pequea, casi nula. /ayores velocidades de aplicaci"n de la carga influyen con menores medidas de tenacidad.
En todos los ensayos los parámetros controlados están influidos por las condiciones que definen el ensayo0 forma y tamao de la probeta, temperatura, velocidad de aplicaci"n de la carga, etc. En el caso de la medida de la tenacidad la influencia de estos parámetros e!ternos o internos es todavía más evidente que en otros ensayos. -or estas circunstancias pueden e!istir diversos ensayos definitorios de la tenacidad. En este informe se usara el denominado de resiliencia, sin menoscabo de otros que ponderan la tenacidad en condiciones diferentes como en el caso de los ensayos 1(# que se analizan en el siguiente apartado. La condici"n fundamental que determina el ensayo de resiliencia es la velocidad de aplicaci"n de cargas la que corresponde a la caída libre de una carga ligada a un péndulo. 2na máquina universalmente aplicada es el péndulo de #harpy. El péndulo #harpy dispone de una masa 3m4 montada en el e!tremo del brazo, de longitud 3l4, que pivota en el centro &. El ensayo de resiliencia consiste en golpear una probeta apoyada en s con la masa del péndulo que ha sido abandonada en caída libre desde una altura prefijada 5. La energía absorbida, Ea, por la probeta para producir su fractura es la medida de la tenacidad del material en las condiciones del ensayo. Los parámetros primarios que definen el campo de resiliencia son0 a+ 6elocidad de impacto en la probeta, v. b+ Energía cinética en el punto de alcanzar la probeta, E c.
Estos parámetros son funci"n de las variables de ensayo del péndulo *m, h o a+ a través de las e!presiones conocidas0
v = √ 2 gh = √ 2 l ( 1 −cosa ) Ea =mgh=mg!"#$%&a' La energía absorbida por la probeta en su fractura Ea se cuantifica por la diferencia de alturas de la masa del péndulo desde su posici"n inicial - y su posici"n final -7, que forma un ángulo a7, después de efectuar la fractura. 8i se desprecian resistencias pasivas, la energía absorbida viene definida por0
Ea =mg !$%& a( # $%& a' Las probetas pueden ser de formas variables. Estas definen por si mismas tipos de ensayo como el #harpy en 2 o en 6, (zod, '6/, etc. Esto es consecuencia de la fuerte incidencia que la forma de la probeta induce en la energía unitaria absorbida en la fractura.
PROCEDIMIENTO E)PERIMENTAL
9. -rimero cortamos una varilla de acero, para obtener : probetas.
igura ;<90 #orte de la varilla =. En primera probeta de 5ierro se realiz" una abertura en forma de 6 de > mm de profundidad, en la segunda se hizo la misma abertura pero con ? mm de profundidad y en la tercera con @ mm de profundidad.
igura ;<=0 Los : probetas de hierro y agrietamiento de una probeta
igura ;<:0 Arietas de >, ? y @ mm respectivamente
:.
ealizamos la prueba de #harpy para las tres probetas. -ara el pedazo de > mm de profundidad.
igura ;
igura ;<>0 'urante y después de soltar el péndulo
B. Luego de hacer colisionar el péndulo con las probetas de acero, se deformaron, pero no se rompieron.
igura ;, ? y @ mm respectivamente >. 'espués de realizar la prueba de #harpy procedemos a medir el ángulo de deformaci"n de las probetas con la ayuda del goni"metro, tanto en frio como en caliente.
igura ;<@0 Ejemplo de medici"n de ángulo
AN*LISIS DE LOS DATOS E)PERIMENTALES
En frío0 MATERIAL / PROFUNDIDAD
ÁNGULO
ACERO / 4 mm
14°
ACERO / 6 mm
17°
-odemos observar que en la prueba en frio hay una mayor deformaci"n en la probeta que presenta una mayor profundidad en la grieta y eso es fácil de e!plicar, dado que la probeta al tener mayor espesor en el cuello *parte en el cual se dobla la probeta+ tiene mayor tenacidad o mayor resistencia a romperse.
AN*LISIS NUM+RICO DEL ENSAYO DE CHARPY Energía absorbida por la probeta C 'iferencia de Energía del -éndulo antes y después del impacto
Ea,& = mg !hh-' Ea,& = mg !
cos β sin α
'
# V%.m/0 1/ ma234% % ,%5./:
6bloque C *9@.? ! 9B.@ ! :.?+ cm: D *> ! ?.> ! =+ cm:
6bloque C :9.: cm: D ?> cm: :
C
# Ma&a 1/ ,%5./: mbloque
:
'ensidad fierro C F.FF@G@B HgIcm C
v bloque
C
mbloque
mbloque C ?.G=9 Hg
# Da3%& %,3/041%& 1/ /67/24m/03%: /asapéndulo C ?.G=9 Hg Longitud de brazo del péndulo C F.>B m Aravedad C .G mIs=
# C8$.%&: 9. -unto (nicial. -éndulo a F< Energía -otencial C E p C m ! g ! h g
=. -unto inal. &ntes de doblar el hierro *6má!+ 1
Ec = m v
2
2
mghC =gh C v 2
CJ
Ec = E p
% 1 2
=*.G
m s
+*F.>B m+ C v 2
2
2
=
v C 9F.>GB
v C :.=>:
g
2
mv
m s
2
3
866.39 cm
:. uerza que se acumula en el material0 2
V R
C m.a C m m ( 3.253 ) C *?.G=9 Hg+ s 0.54 m
2
C 9::.?GB ;
B. &nálisis de (mpactos0
>. 'atos E!perimentales finales0
Material
'ierro dulce
H (cm
!inicial (cm
Pro"undidad de Hendidura
#mpacto
$ngulo de !es%iació n
!&nal (cm
)./* 0 )0.. ,
)*
)*
+ mm
,
,+-
)*
)*
2 mm
/
,.-
$ngulo
$ngulo
α
β
(antes del impacto 1-
(después del impacto /*-
,0-
3*-
?. Energía &bsorbida por la probeta. Eabs C mg * Eabs, 9 C *?.G=9 Hg+*.G
Eabs, = C *?.G=9 Hg+*.G
cos β −cos α
m s
2
m s
2
+
+*F.>B m+*F.F?:+
+*F.>B m+*9.G99+
CONCLUSIONES
En este laboratorio de Ensayo de #harpy se aprende a verificar la tenacidad que posee un determinado material, en este caso el hierro dulce que nos brind" la profesora para poder trabajar.
En el uso de las : probetas se puede comprender que mientras mayor sea el ángulo de elevaci"n del martillo del Equipo de Ensayo de #harpy..
/ediante f"rmulas de conservaci"n de la energía se puede apro!imar la cantidad de energía en Koules recibida por la probeta por causa del impacto del martillo.
/ientras más tenaz es un material, es más difícil de poder romperlo mediante e!perimentos del laboratorio.
2n material se puede volver más d$ctil, tenaz, frágil con respecto a su valor de propiedades original mediante la acci"n de la temperatura en el ambiente, lo cual puede provocar fallas intersticiales y aumentar su dureza, entre otros.
La muesca en forma de v que se le hace al material antes de someterlo a la prueba de #harpy nos permite medir mejor la resistencia del material a la propagaci"n de la fractura.
El material sometido a la prueba de #harpy no llega a romperse por completo, pero si a rajarse, ese es el momento de la fractura y el instante anterior a este es el de límite.
La cantidad total almacenada de energía en la barra se determina hasta un instante antes del impacto en el que se nota la fractura de la barra.
La profundidad de la muesca afecta directamente y de forma proporcional en la cantidad de impactos que se van a realizar con la barra de metal.
RECOMENDACIONES # 'espués que el bloque golpea el material debemos sujetarlo para que no lo golpee por segunda vez, ya que esto alteraría nuestros resultados.
# Mener cuidado en el momento de medir los ángulos y las distancias con el goni"metro y el vernier respectivamente, sobre todo con el goni"metro. #olocarlo en la posici"n correcta y hacer las mediciones correctas en grados y minutos se!agesimales.
# 8e debe soltar el bloque que golpea la muestra con mucho cuidado para no levantarlo, porque eso ocasiona a que el ángulo formado no sea de F<, sino un ángulo mayor a este, lo que incrementaría el porcentaje de error del e!perimento. -or ello, se recomienda tener un soporte que contenga el martillete pesado en un ángulo de F< y así tener mejores resultados.
# Mener cuidado cuando se suelta la masa del péndulo, y hacer que la parte central del péndulo golpee a la barra de fierro.
# #olocar en el mismo nivel la parte inferior de la muesca con la base superior de la mordaza del tornillo de banco.
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