UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCIÓN Facultad de Ingeniería
Procedimiento de Ensayo de Tracción Integrantes: BeltránEliser Samaniego Montiel – 3.807.369 – Civil Marcelo Daniel Giménez Oviedo – 3.218.333 – Civil
PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DE TRACCIÓN 1- Introducción En la actualidad, estamos rodeados de elementos hechos de plásticos, para diferentes tipos de usos. Para ello, existen una amplia gama de materiales plásticos, con propiedades diferentes: diferentes: algunos frágiles, otros dúctiles, algunos que resisten más al calor que otros, unos transparentes, otros opacos entre otros. Presentamos el siguiente trabajo, con el fin de visualizar la diferencia mecánica entre dos plásticos diferentes: el Polietileno (PE) y el Poliestireno (PS). Dicha diferencia lo dejaremos plasmada en los gráficos de Tensión-deformación.
2- OBJETIVOS Establecer la metodología para la realización del ensayo de tracción en el laboratorio de tecnología del plástico p lástico
3- ALCANCE Es aplicable a los ensayos de tracción a realizar en el laboratorio de tecnología del plástico de la FIUNA, en probetas de materiales plásticos y en casos especiales en probetas de láminas metálicas delgadas, cuya fuerza de tracción máxima sea inferior a la máxima fuerza especificada de equipo
4- DEFINICIONES Y ABREVIATURAS ABREVIATURAS Lo= Longitud de referencia referencia inicial Lf= Longitud de referencia final – Lo) Alargamiento ( Lf –
Deformación unitaria Tensión de rotura Tensión de fluencia Tensión máxima Tensión del límite de proporcionalidad
So= Sección inicial de la probeta Fm= Carga máxima alcanzada durante el ensayo Ff= Carga de fluencia Fr= Carga de rotura E= Módulo de elasticidad 5- GENERALIDADES El ensayo de tracción consiste en someter una probeta a una carga creciente en dirección axial con el propósito de determinar las propiedades mecánicas del material ensayado; las principales propiedades mecánicas que se determinan con el ensayo de tracción son: Resistencia a la tracción: Cociente entre la carga máxima a que se somete la probeta durante el ensayo y la sección inicial de la probeta; (
)
Tensión de fluencia: Cociente entre la carga de fluencia (obtenida del grafico) y la sección inicial de la probeta; Tensión de rotura: Cociente entre la carga de rotura y la sección inicial de la probeta; Deformación unitaria: Cociente entre la diferencia de longitudes de referencia final e inicial y la longitud de referencia inicial; Módulo de elasticidad: Es la pendiente de una recta que va desde el origen hasta un punto límite de proporcionalidad del material.
Los materiales de ensayo que utilizaremos serán PE-AD (Polietileno de alta densidad) y PMMA (Poli(metacrilato de metilo), ya que estos presentan propiedades muy distintas distintas en cuanto a su elasticidad, elasticidad, así tenemos tenemos que el PE-AD es dúctil y el PMMA es frágil. Otras propiedades propiedades de estos materiales materiales son: PE-AD (Polietileno de alta densidad): Propiedades Mecánicas: Alta rigidez, estabilidad a la temperatura y estabilidad de forma, buena dureza superficial, resistente a la ebullición y esterilizable. Densidad: 0.94 - 0.96 g/cm3 Temperatura de Trabajo: 260 – 250 – 230 – 210 ºC PMMA (Poli(metacrilato de metilo)): Nombre comercial: Acrílico o plexiglás Propiedades mecánicas: duros y rígidos, pero frágiles. Buena resistencia a la tracción, flexión y compresión, con poca capacidad de deformación (a excepción de la compresión). Buena resistencia al rayado. Densidad: 1.19 g/cm 3 6- REALIZACIÓN (DESARROLLO)
6.1. EQUIPOS Y MATERIALES Maquina universal de ensayos Zwick 1445 4 probetas normalizadas según ANEXO 2 probetas de PE-AD 2 probetas de PMMA Calibre Marcador indeleble
Regla 6.2.
Verificación del funcionamiento de la máquina de ensayos Una vez encendida la máquina ésta debe resetearse mediante el botón rojo “Reset”(ver fig. 1 ANEXO) Verificar que la máquina se encuentre programada para ensayo a tracción (ver fig. 1 ANEXO) Preparación de la probeta: Las probetas normalizadas se mecanizarán de acuerdo a la norma a aplicar (ver ANEXO1) Trazar una línea longitudinal por el centro de probeta Determinación de la sección inicial expresada en Espesor x ancho (realizar esta medición empleando el calibre) Temperatura de ensayo El ensayo se debe realizar a temperatura ambiente, ambiente, entre 10 y 35º C Se registrará la temperatura ambiente del laboratorio al momento de realizar el ensayo 6.3.
PREPARATIVOS
PROCESO DE ENSAYO
Colocación de la probeta De posicionará la misma de manera que la carga se transmita en forma axial (centrar correctamente la probeta) y no haya flexión o torsión durante el ensayo Colocarla primero en la mordaza inferior Asegurarse que coincidan el eje central longitudinal de la probeta y el unto medio de la mordaza (tanto en la mordaza inferior como la superior), para garantizar que la probeta se encuentra bien alineada y centrada Para movimientos de la mordaza inferior, el control remoto debe estar en la posición “Pos” (ver fig. 2 ANEXO) Regular la velocidad de movimiento con la perilla de velocidad indicada en la fig. 2, ANEXO2 Una vez sujeta en la parte inferior y superior controlar que no esté comprimida (verificación visual) ni reacciona, verificado si la mordaza no se encuentra bloqueada, ya que si esto sucede significa que la probeta ya se encuentra traccionada Longitud inicial (Lo) Medir la longitud libre de la probeta entre mordazas
Grabar esa longitud en la maquina: con el botón “Param” posicionarse en “Lo” y digitar la medida en mm (ver fig. 1 ANEXO)
Velocidad de ensayo Velocidad PE: 4mm/min Velocidad PMMA: 1mm/min
Inicio de ensayo Desactivar la tecla “Pos” (ver fig. 2 ANEXO) Ajustar la fuerza a cero con la perilla indicada en la fig.3, ANEXO (la unidad de medida de la fuerza en la máquina está dada en N y kN )
Se inicia el movimiento presionando la tecla “avance hacia abajo”
Extracción de la probeta Al romperse la probeta, se debe detener la máquina con el botón “STOP” del control remoto. Luego se puede proceder a retirar la probeta liberándola de las mordazas 6.4.
La velocidad se determina con el botón “CI. -Lp” en la posición “V1 var”
REGISTRO DE LOS RESULTADOS
Datos iniciales En la planilla de ensayo de tracción de ANEXO se registrarán, en la casilla correspondiente los datos de temperatura ambiente, sección inicial, longitud de referencia inicial, fuerza y alargamientos medidos en la máquina Al principio se deben anotar los datos de la fuerzas con intervalos de 50 – 100 N (atender cuando los valores pasan a kN) y luego en intervalos menores (cuando sobrepase el límite de proporcionalidad). Simultáneamente, se deben anotar las deformaciones dadas en mm, correspondiente a cada fuerza Trabajo práctico Realizar un relatorio del ensayo realizado, especificando en él, el procedimiento resumido del ensayo, los posibles errores introducidos, conclusiones y cualquier observación que el alumno crea conveniente Realizar en Excel 2 gráficos de Tensión vs. Deformación, uno de cada material con su respectiva tabla de valores Realizar el cálculo y señalar en el gráfico los siguientes valores: Módulo de elasticidad E Tensión máxima y su correspondiente correspondiente deformación unitaria ( ) Tensión y deformación unitaria de rotura ( ) Tensión y deformación unitaria del límite de proporcionalidad ( )
1. 2. 3. 4. 5. Tensión y deformación unitaria de fluencia mediante el “método de desplazamiento o corrimiento” ( )
6. Calcular el error comparando los valores teóricos y los de ensayo
Valores teóricos PE-AD:
Valores teóricos PMMA:
| ||
7- Relatorio Nos presentamos al laboratorio de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Asunción, a las 19 Hs del día miércoles 10 de abril del presente año, con el fin de realizar el ensayo de tracción de probetas de plástico. En la guía se mencionan dos plásticos: El polietileno (PE), y el Polimetilmetacrilato (PMMA), sin embargo, no poseíamos probetas de éste último, por tanto lo sustituimos por el Poliestireno (PS). (Información del Poliestireno en el ANEXO). Primeramente, la encargada del laboratorio, nos indicó algunos puntos importantes para la realización del ensayo, como ser: los preparativos para la realización del ensayo en sí mismo; repaso del grafico tensión-deformación y los elementos el ementos que en él se definen, tales como tensión-deformación de proporcionalidad, tensión-deformación de fluencia, tensióndeformación de rotura, tensión-deformación máxima, módulo de Young. Procedimos a la lectura de la temperatura indicada en el termómetro de mercurio ubicado en el laboratorio, siendo el mismo de 26 C. Luego medimos con la ayuda de un calibre, las dimensiones de las probetas proporcionadas por la encargada del laboratorio sin ninguna dificultad significativa. Trazamos, con bastante dificultad en la probeta, una línea lo más próximo a su eje longitudinal, para que al ubicar en las mordazas inferior y superior, quede lo más centrada posible a dichas mordazas y así evitar posibles esfuerzos esfuerzos de torsión y flexión. La dificultad al trazar, se debió a las características del material utilizado para el trazo. Una vez ubicada adecuadamente la probeta, se procedió a la medición de la distancia entre mordazas con cinta métrica, lo cual significó la posible introducción de errores, debido a la imprecisión del instrumento. Este procedimiento lo realizamos en modo “POS” de la máquina Universal de Ensayos. °
Verificamos que el medidor de la máquina se encontrase en cero, ya que si no fuese así, habría tensiones iniciales residuales, que afectarían el grafico deseado. Los datos obtenidos en la medición lo introducimos en la máquina con el botón “PARAM” en la posición “Lo”.
Configuramos la velocidad de tracción que tanto para el PE y PS fue de 5 milímetros por segundo con el botón “CI.-Lp.” En la posición “V1 VAR”. Aclaramos que no fueron las velocidades indicadas en la guía, ya que si así hubiese sido, tardaría más en llegar a la rotura, y no disponíamos del tiempo suficiente. Iniciamos la tracción del material. No fue necesaria necesaria la anotación de los valores de fuerza y deformación de manera manual, obtenidos por la máquina, ya que el mismo era proporcionado por un software instalado en un ordenador conectado a la Máquina Universal de Ensayos. Una vez alcanzado la rotura de la probeta, nos aseguramos que la máquina se encontrara en “STOP” para extraer los restos del material de la mordaza. Así culmina la
experiencia en el laboratorio. Los datos registrados fueron enviados por la encargada del laboratorio a nuestros respectivos correos electrónicos, en formato de hoja de cálculo de Microsoft EXCEL de manera m anera a que podamos graficar las tensiones-deformaciones de ambos materiales, y determinar los valores críticos como tensión-deformación de proporcionalidad, tensión-deformación de fluencia, tensión-deformación de rotura,tensión-deformación máxima y módulo de Young.
8- Planilla de Resultados Polietileno (Pe) So Lo
34,65
mm2
114
mm
Fuerza
Desplazamiento
Tensión
Tensión
Q
(N) 0 60 70 110 120 130 190 200 260 310 320 380 430 480 520 530 570 560 600 640 670 700 730 720 760 790 770 780 800 810 830 820 850 860 870 880 890 910 900
ΔL (mm) 0 0,44 0,47 0,8 0,81 0,83 1,17 1,19 1,54 1,89 1,9 2,25 2,61 2,96 3,33 3,35 3,69 3,7 4,04 4,4 4,76 5,11 5,48 5,49 5,84 6,19 6,2 6,21 6,56 6,59 6,92 6,93 7,28 7,3 7,64 7,66 8,01 8,36 8,37
(N/cm2) 0,00 173,16 202,02 317,46 346,32 375,18 548,34 577,20 750,36 894,66 923,52 1.096,68 1.240,98 1.385,28 1.500,72 1.529,58 1.645,02 1.616,16 1.731,60 1.847,04 1.933,62 2.020,20 2.106,78 2.077,92 2.193,36 2.279,94 2.222,22 2.251,08 2.308,80 2.337,66 2.395,38 2.366,52 2.453,10 2.481,96 2.510,82 2.539,68 2.568,54 2.626,26 2.597,40
(N/mm2) 0,00 1,73 2,02 3,17 3,46 3,75 5,48 5,77 7,50 8,95 9,24 10,97 12,41 13,85 15,01 15,30 16,45 16,16 17,32 18,47 19,34 20,20 21,07 20,78 21,93 22,80 22,22 22,51 23,09 23,38 23,95 23,67 24,53 24,82 25,11 25,40 25,69 26,26 25,97
Unitaria ε 0,0000 0,0039 0,0041 0,0070 0,0071 0,0073 0,0103 0,0104 0,0135 0,0166 0,0167 0,0197 0,0229 0,0260 0,0292 0,0294 0,0324 0,0325 0,0354 0,0386 0,0418 0,0448 0,0481 0,0482 0,0512 0,0543 0,0544 0,0545 0,0575 0,0578 0,0607 0,0608 0,0639 0,0640 0,0670 0,0672 0,0703 0,0733 0,0734
Fuerza
Desplazamiento
Tensión
Tensión
Q
(N)
ΔL (mm)
(N/cm2)
(N/mm2)
Unitaria ε
920 940 950 960 970 980 990 1.000 1.010 1.020 1.030 1.040 930 840 750
8,73 9,08 9,44 9,46 9,81 10,15 10,52 10,89 11,6 12,33 13,05 15,54 31,75 67,04 70,27
2.655,12 2.712,84 2.741,70 2.770,56 2.799,42 2.828,28 2.857,14 2.886,00 2.914,86 2.943,72 2.972,58 3.001,44 2.683,98 2.424,24 2.164,50
26,55 27,13 27,42 27,71 27,99 28,28 28,57 28,86 29,15 29,44 29,73 30,01 26,84 24,24 21,65
0,0766 0,0796 0,0828 0,0830 0,0861 0,0890 0,0923 0,0955 0,1018 0,1082 0,1145 0,1363 0,2785 0,5881 0,6164
Poliestireno (Ps) So Lo
44,88
mm2
125
Mm
Fuerza Desplazamiento
Tensión
Tensión
(N/cm2) (N/mm2) 0,00 0,00 22,28 0,22
Deformación
(N) 0 10
ΔL (mm) 0 0,03
150
0,39
334,22
3,34
0,0031
160
0,4
356,51
3,57
0,0032
380 400 390 640 650 660 920 930 950 1220 1230 1250 1550 1540 1830 1840 2110 2120 2130
0,75 0,76 0,77 1,11 1,13 1,14 1,46 1,47 1,49 1,82 1,83 1,85 2,18 2,19 2,53 2,54 2,92 2,93 2,94
846,70 891,27 868,98 1.426,02 1.448,31 1.470,59 2.049,91 2.072,19 2.116,76 2.718,36 2.740,64 2.785,20 3.453,65 3.431,37 4.077,54 4.099,82 4.701,43 4.723,71 4.745,99
8,47 8,91 8,69 14,26 14,48 14,71 20,50 20,72 21,17 27,18 27,41 27,85 34,54 34,31 40,78 41,00 47,01 47,24 47,46
0,0060 0,0061 0,0062 0,0089 0,0090 0,0091 0,0117 0,0118 0,0119 0,0146 0,0146 0,0148 0,0174 0,0175 0,0202 0,0203 0,0234 0,0234 0,0235
Unitaria ε 0,0000 0,0002
2390 2380 2410 2650 2640 2870 2890 2900 3120 3130 3140 3330 3340 3350 3540 3530 3550
3,27 3,28 3,3 3,62 3,63 3,98 3,99 4,01 4,34 4,36 4,37 4,69 4,71 4,72 5,05 5,06 5,08
5.325,31 5.303,03 5.369,88 5.904,63 5.882,35 6.394,83 6.439,39 6.461,68 6.951,87 6.974,15 6.996,43 7.419,79 7.442,07 7.464,35 7.887,70 7.865,42 7.909,98
53,25 53,03 53,70 59,05 58,82 63,95 64,39 64,62 69,52 69,74 69,96 74,20 74,42 74,64 78,88 78,65 79,10
0,0262 0,0262 0,0264 0,0290 0,0290 0,0318 0,0319 0,0321 0,0347 0,0349 0,0350 0,0375 0,0377 0,0378 0,0404 0,0405 0,0406
9- Gráfico
40.00 35.00 30.00 Polietileno Modificativo
25.00 20.00
Recta de Proporcionalidad
15.00
Recta de Corrimiento
10.00 5.00 0.00 0.0000
r=21,65 N/mm2
0.2000
0.4000
0.6000
0.8000
max=30,01 N/mm2
30
25
20
f=20,20 N/mm2
p=17,32 N/mm2
15
140.00 120.00 100.00 80.00 Poliestileno 60.00
Recta de Proporcionalidad Recta de Corrimiento
40.00 20.00 0.00 -0.0200 0.0000
0.0200
0.0400
0.0600
0.0800
-20.00
max=98,26 N/mm2
r=98,04 N/mm2
f=79,10 N/mm2
p=69,52 N/mm2
10- Cálculo de Errores
Plástico: Polietileno Módulo de Elasticidad € Tensión de Fluencia (σp) Deformación unitaria de fluencia (εf) Tensión Máxima (σmax) Deformación unitaria Máxima (εmax)
Valor Teorico Valor Observado Error Porcentual 1000 489,2655 51,07% 25 20,2 19,20% 12 % 4,48 % 62,67 % 33 30,01 9,06% 20 % 13,63 % 31,9 %
11- Análisis de los gráficos Como es de apreciarse, en el grafico de Tensión-deformación, del Poliestireno (PS), éste apenas se deforma, y lo hace recién cerca de su de rotura, lo que es de esperarse de un material frágil. Sin embargo en el gráfico del Polietileno (PE), podemos observar que el mismo se deforma significativamente antes de llegar a su rotura, característica característica de los materiales dúctiles. Notamos además que para el PE éste se deforma aun cuando la tensión que q ue lo tracciona disminuye. Nos percatamos de igual manera que los valores de tensión, tanto de proporcionalidad, de fluencia y máxima, son mayores en el Poliestireno, que en el Polietileno.
12- Conclusión A través de la experiencia en el laboratorio, se tornó significativo lo adquirido en la teoría de la cátedra de Mecánica de Materiales, ya que pudimos visualizar con detalle el fenómeno de tracción de un material, y la diferencia existente entre uno frágil, y otro dúctil. Nos encontramos con ciertas dificultades a la hora de la realización del grafico tensión-deformación tensión-deformación para el polietileno, ya que los valores proporcionados por la encargada del laboratorio, poseía tres datos aleatorios cualesquiera; uno de fuerza y dos de deformación unitaria. Creemos que los mismos fueron causados por un cierto desfasaje entre la Máquina Universal de Ensayo, y el computador donde se almacenaban los datos datos obtenidos de la misma. Estos datos lo modificamos modificamos por valores estimados.(Ver figuras 3,4 y 5 del ANEXO) Una vez obtenido ambos gráficos, logramos observar los valores críticos en la curva. Nuestros valores observados fueron: Polietileno (PE) Tensión (N/mm2)
Deformación unitaria
17,32
0,0354
20,2
0,0448
Máxima
30,01
0,1363
De rotura
21,65
0,6164
De proporcionalidad De Fluencia
Módulo de elasticidad
489,266 (N/mm2)
Poliestireno (PS) Tensión (N/mm2)
Deformación unitaria
69,52
0,0347
79,1
0,0406
Máxima
98,26
0,0692
De rotura
98,04
0,0663
De proporcionalidad De Fluencia
Módulo de elasticidad
2003,458 (N/mm2)
Para la determinación de la tensión de fluencia fue utilizado el método del desplazamiento, o de corrimiento, el cual consiste en trazar una línea recta en el diagrama de esfuerzo-deformación unitaria paralela a la línea de proporcionalidad pero desplazada en cierta deformación unitaria estándar, como 0,002 o 0,2%. La intersección de la línea desplazada y la curva define el esfuerzo de fluencia.(Ver figura 6 del ANEXO) El cálculo del error, fue realizado solamente para el plástico plá stico polietileno, ya que solo se nos fue otorgado los valores teóricos de éstos. Obtuvimos un error bastante
significativo para el módulo de elasticidad (51,07%) el cual pudo haber sido ocasionado por una mala medida de las dimensiones de la probeta utilizada, o problemas del software, el cual nos proporcionó los datos d atos para el grafico.
13- Anexo
Figura 1
Figura 3
Figura 2
Figura 4
Figura 5
Figura 6
PS (Poliestireno): El poliestireno "compacto" (sin inyección de gas en su interior) presenta la conductividad térmica más baja de todos los termoplásticos. Sin embargo, tiene relativamente poca resistencia a la temperatura, ya que reblandece entre 85 y 105 °C (el valor exacto depende del contenido en aceite mineral). Cuando el poliestireno es calentado las cadenas son capaces de tomar numerosas conformaciones. Cuadro de ciertas propiedades mecánicas
14- Bibliografía - Manual del Inyectador; Inyección de Termoplásticos J. L. Arazo Urraca Editorial Emitec - Guía de Materiales Plásticos Hellerich/Harsch/Haenie Editorial Hanser - Introducción a la Mecánica de Sólidos Egor P. Popov Editorial Limusa - Kunstoffkunde Otto Schwarz Editorial Vogel - Manual de la Máquina Universal de Ensayos Zwick 1445. - Wikipedia - Resistencia de Materiales Luis Ortiz Berrocal Editorial McGraw-Hill
