PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES Ing. Jannyna B. Bernilla Gonzales
ESTRUCTURAS FUNCIONEN APROPIADAMENTE APROPIADAM ENTE
COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES SOMETIDOS A CARGAS.
LABORATORIOS DE PRUEBAS DE MATERIALES
PEQUEÑAS PROBETAS
MÁQUINAS DE PRUEBAS APLICAN CARGAS MEDIR LAS DEFORMACIONES
MÁQUINA DE PRUEBA DE TRACCIÓN TÍPICA.
- Se instala la probeta entre las dos grandes grandes mordazas de la máquina. - Luego se carga de tracción. - Mediante: * dispositivos de medición: registran las deformaciones. Ing. Jannyna B. Bernilla * sistemas de control automático y de Gonzales procesamiento de datos: tabulan y grafican los resultados.
PROBETA PARA PRUEBA DE TRACCIÓN Probeta circular pequeña con ampliaciones en la región en que son tomados por las mordazas (de modo que la falla no ocurra cerca de los extremos de estas). Una falla en los extremos no produciría la información deseada acerca del material porque la distribución de la tensión cerca de las mordazas NO ES UNIFORME. En una probeta bien diseñada, la FALLA ocurrirá en la porción prismática; donde la distribución de tensiones y la barra está sometida solo a tracción pura.
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EXTENSÓMETRO
Unido por medio de dos brazos a la probeta, mide el alargamiento durante la aplicación de la carga.
Bajo fines de que los resultados de las pruebas sean fácilmente comparables: Se estandariza tamaño de las PROBETAS MÉTODO DE APLICACIÓN REUSLTADO SEAN FACILES DE COMPARAR Ing. Jannyna B. Bernilla Gonzales
ORGANIZACIONES NORMATIVAS AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM) “SOCIEDAD AMERICANA DE PRUEBAS Y MATERIALES”
ACCIONES: PUBLICA - ESPECIFICACIONES - NORMAS AMERICAN STANDARD ASSOCIATION (ASA) “SOCIEDAD AMERICANA DE NORMAS”
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARD AND TECHNOLOGY “INSITUTO NACIONAL DE NORMAS Y TECNOLOGÍA”
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PROBETA DE TRACCIÓN ESTANDARD
*Prueba Estática :
A S T M
l *Prueba Dinámica:
•
•
∅ 0.505 in
Longitud calibrada de 2.0 in entre las marcas de calibración que son los puntos donde los brazos del EXTENSÓMET RO se unen a la probeta.
LA CARGA AXIAL Se mide y registra
automáticamente En la carátula
ALARGAMIENTO Sin la longitud calibrada se mide mediante: Dispositivos mecánicos Medidores de resistencia eléctrica. • •
la carga se aplica DESPACIO a velocidad de carga PRECISA no es de interés. se aplica la carga RÁPIDAMENTE Ing. Jannyna B. Bernilla Gonzales Carga CÍCLICA.
PROBETAS PARA PRUEBAS DE COMPRESIÓN
Probeta en forma de cubo. Cilindros circulares
Dimensiones: Cubos: 2.0 in x lado Cilindros: 1 in y longitud de 1 a 12 in. Se mide: -Carga aplicada por la máquina. Acortamiento de la probeta. Medida sobre la longitud calibrada. El concreto se prueba a compresión en todo proyecto importante de construcción para GARANTIZAR que se ha obtenido la RESISTENCIA REQUERIDA. PROBETA STANDARD ASTM + CURADO
6 in. De diámetro 12 in. De longitud
´:
28 días
Jannyna Bernilla Gonzales Probetas similares algo más pequeñas Ing. se usan enB.pruebas de compresión en rocas.
DIAGRAMAS DE TENSIÓN DEFORMACIÓN
Los resultado de las pruebas dependen en general del tamaño de la probeta ENSAYADA. Es poco probable el diseño de estructuras con partes del mismo tamaño de una probeta. Los resultado de las pruebas deben expresarse en forma tal que PUEDAN APLICARSE A MIEMBROS DE CUALQUIER TAMAÑO. Una manera simple de alcanzar este OBJETIVO es convertir los resultados de las pruebas en ESFUERZO Y DEFORMACIÓN. = d
: á :
=
P: carga axial A: área sección transversal
Á =
> > Ing. Jannyna B. Bernilla Gonzales
= Si uso: L: longitud calibrada inicial
.
=
L: longitud crecida =
< ó " " Ing. Jannyna B. Bernilla Gonzales
ACERO ESTRUCTURAL Acero dulce o acero de bajo C. Es el más usado en edificios, puentes, grúas, barcos, torres, vehículos, etc. Real
10-15 v Δ estado alargamiento cristalino y en la región atómico lineal.
convencional
Elástica
C.ELÁSTICO: tiene una fluencia PERFECTA (considerable alargamiento, sin un incremento perceptible)
Como el plástico, que se deforma sin un incremento de carga.
Ing. Jannyna B. Bernilla Gonzales Gráfica sin escala.
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2.1 COMPORTAMIENTO DE MATERIALES BAJO ESFUERZO NORMAL
Estudiemos en primero lugar la relación entre los esfuerzos y las deformaciones normales empleando un ensayo de laboratorio.
2.1.1 El ensayo de tracción Este ensayo consiste en aplicar una carga de tracción a una probeta cilíndrica, al mismo tiempo que se va midiendo y registrando la deformación. Las figuras muestran la máquina de ensayo y un acercamiento de la probeta. Ing. Jannyna B. Bernilla Gonzales
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Si se ensayan dos probetas de dimensiones diferentes pero del mismo material, al graficar los resultados de deformación total (δ) versus carga aplicada (P), obtenemos dos curvas diferentes.
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Las curvas P-δ obtenidas son diferentes a pesar que ambas probetas fueron hechas del mismo material. Por tanto estas curvas no describen sólo el comportamiento del material, sino que también reflejan las características geométricas de las probetas. Calculemos ahora los esfuerzos normales ( σ) y las deformaciones unitarias (ε) a partir de las fuerzas (P) y las deformaciones totales (δ) registradas en el ensayo.
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Al graficar las curvas σ -ε para ambas probetas, vemos que coinciden, y por tanto, ya no reflejan las características geométricas de las probetas sino que ahora sólo muestran el comportamiento del material.
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Estudiemos ahora la relación esfuerzo – deformación para un metal como el acero dulce.
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En una primera etapa de carga, la deformación crece linealmente con el aumento del esfuerzo. La pendiente de este tramo inicial recto se conoce como MODULO DE ELASTICIDAD. A: Relación lineal, límite de proporcionalidad.
Entre A y B, la relación líneal se pierde. Sin embargo, si no se ha pasado del punto B , y se retira la carga, la probeta recupera completamente sus dimensiones iniciales. na rango de comportamiento elástico del material. COMPORTAMIENTO ELÁSTICO
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A partir de B ,Zona de fluencia, en que la deformación crece apreciablemente sin que se produzca un incremento del esfuerzo. Los puntos C y D inicio y al fin de la denominada Plataforma de fluencia o plasticidad. El esfuerzo para el cual se inicia este fenómeno se conoce
como esfuerzo de fluencia (σf). Si seguimos incrementando las deformaciones:Zona de endurecimiento. En esta zona el incremento de deformaciones viene acompañado de un incremento de esfuerzos, hasta llegar a un valor máximo, denominado esfuerzo último (σu) Ing. Jannyna B. Bernilla Gonzales
Si incrementamos aun más la deformación de la probeta, el esfuerzo ahora disminuye y se produce una disminución apreciable del diámetro en una zona de la probeta, adquiriendo la apariencia de un cuello de botella: Estricción y da inicio a la rotura de la probeta. La deformación máxima ( εu) que alcanza el espécimen corresponde al instante de la rotura. Ing. Jannyna B. Bernilla Gonzales
2.2 MÓDULO DE POISSON Si un elemento se somete a una fuerza de tracción a lo largo de su eje longitudinal, en sus secciones transversales aparecen esfuerzos normales de tracción (σ x) y se observa que el elemento se alarga longitudinalmente y se acorta transversalmente.
Este fenómeno se denomina efecto Poisson y para materiales isotrópicos y homogéneos en el rango elástico, la deformación transversal unitaria, que es igual en cualquier dirección transversal, guarda proporcionalidad con la deformación unitaria
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Esta proporcionalidad se expresa por medio del denominado Módulo de Poisson (ν)que es característico de cada material. Representando la deformación unitaria transversal por ε tran, (ε tran = ε y = ε z) y la deformación longitudinal por ε long, el Módulo de Poisson se define como:
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Como se aprecia en la figura, si el elemento se somete a una fuerza de compresión, entonces se acortará longitudinalmente (ε long < 0) y se expandirá transversalmente (ε tran > 0). El módulo de Poisson es adimensional y su valor está generalmente entre 0.25 y 0.35; por ejemplo para el acero ν=0.30.} Algunos materiales como el concreto tienen valores bajos (0.10 – 0.15), mientras que el caucho tiene un coeficiente alto cercano a 0.5. El máximo valor que puede alcanzar el módulo es ½.
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COMPORTAMIENTO DE MATERIALES BAJO ESFUERZO CORTANTE Los cuerpos sometidos a esfuerzos cortantes ( τ)presentan deformaciones angulares (), las mismas que dependen tanto de la intensidad del esfuerzo como del material empleado. Aunque la relación entre y no es sencilla, para un rango pequeño, existe una relación de proporcionalidad entre esfuerzos y deformaciones que se expresa como : τ = G La constante de proporcionalidad G se denomina Módulo de Rigidez o módulo de corte y su valor es característico de cada material.
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