ensayo de compresión

Ensayo de Compresión Laboratorio de Ciencia de los Materiales

Ensayo de Compresión

Objetivos

Determinar experimentalmente las propiedades mecánicas (límites de Proporcionalidad (elasticidad) y fluencia) para tres materiales de construcción de máquinas, para el caso de solicitación a compresión. Observar la falla a compresión en una probeta de madera.

1. Introducción

El ensayo de compresión se realiza para determinar las propiedades de un material frente a una solicitación axial negativa. Solicitación que pretende comprimir la probeta de ensayoEl fin del ensayo de compresión puede ser determinar las propiedades de un material o el comportamiento de un componente o sistema completo frente a una solicitación externa.

Figura Nro1: Modelamiento de Ensayo de tracción a cementos

2. Marco Teórico

Ingeniería en Energía Página 1


2.1. ¿Porque realizar un ensayo de compresión sobre metales?

En el ASM Handbook®, Volume 8, Mechanical Testing and Evaluation states se recoge que: el ensayo de compresión axial es útil para la medida del flujo plástico y la determinación de los límites dúctiles de los materiales. La medida del flujo plástico requiere ausencia de fricción (compresión homogénea), mientras que la determinación de los límites dúctiles del material son preferentes en el abarrilamiento en el ecuador de la probeta, control de la tensión y deformación cuando el ensayo se lleva a cabo con fricción.

El ensayo de compresión axial también es útil para la medida de las propiedades elásticas y de compresión en la fractura de materiales frágiles o en aquellos de baja ductilidad. En cualquier caso, el uso de muestras que tienen grandes relaciones L / D se deben evitar para prevenir el pandeo y los modos de cizallamiento de deformación

Los métodos principales para la determinación de la tensionVsdeformacion bajo ensayos de compresión sobre materiales metálicos se recogen en las siguientes normas internaciones:· ASTM E 9, “Compression Testing of Metallic Materials at Room Temperature”· DIN 50106, “Compression Test, Testing of Metallic Materials”· ASTM E 209, “Compression Tests of Metallic Materials at Elevated Temperatures with Conventional or Rapid Heating Rates and Strain Rates”

Figura Nro.2: Modos de deformación en compresión. (a) Pandeo, cuando L / D> 5. (b) Cizallammiento, cuando L / D> 2,5. (c) Doble encubado, cuando L / D> 2,0 y la fricción está presente en el contacto de las superficies. (d) Abarrilamiento, cuando L / D <2,0 y la fricción está presente en las superficies de contacto. (e) Compresión homogénea, cuando L / D <2.0 y no hay fricción presente en el contacto superficies. (f) inestable debido un material blando de trabajo.modos de deformación por cizalladura”.

Citaremos a continuación un párrafo, considerado clásico, del libro de Harmer E. Davis, sobre algunas limitaciones especiales del ensayo de compresión a las cuales se debe dirigir la atención:



1. La dificultad de aplicar una carga verdaderamente concéntrica o axial.

2. El carácter relativamente inestable de este tipo de carga en contraste con la carga tensiva (entiéndase tracción). Existe siempre una tendencia al establecimiento de esfuerzos flexionantes (no existen esfuerzos flexionantes, entiéndase: cargas flexionantes) ya que el efecto de las irregularidades de alineación accidentales dentro de la probeta se acentúa a medida que la carga prosigue.

3. La fricción entre los puentes de la máquina de ensaye o las placas de apoyo y las superficies de los extremos de la probeta debido a la expansión lateral de ésta. Esto puede alterar considerablemente los resultados que se obtendrían si tal condición de ensayo no estuviera presente.

4. Las áreas seccionales, relativamente mayores de la probeta para ensayo de compresión para obtener un grado apropiado de estabilidad de la pieza. Esto se traduce en la necesidad de una máquina de ensayo de capacidad relativamente grande o probetas tan pequeñas y, por lo tanto, tan cortas que resulta difícil obtener de ellas mediciones de deformación de precisión adecuada.Figura Nro. 3: (a) Apoyo de Rotula según ASTM E 9; (b) Subprensa para ensayos de compresión según

ASTM E 9

Como el ensayo se realiza sobre probetas de material maleable se debe tener en cuenta que, luego de superado el esfuerzo de fluencia aparecen deformaciones plásticas considerables, esto desemboca en aumentos apreciables de la sección transversal; como resultado, para obtener incrementos iguales de esfuerzo y deformación se deben aplicar incrementos cada vez más grandes de carga; debido a esto el ensayo debe detenerse cuando se agota la reserva de carga aplicable de la máquina de ensayos.

3. Procedimiento

Para obtener las propiedades mecánicas a compresión de los materiales de las probetas, se debe someter éstas a compresión axial, medir las variables: fuerza F y



acortamiento (∆l ó δ), a incrementos conocidos de fuerza o deformación. Con los datos obtenidos construir el gráfico ε - σ.

4. Maquinaria, Materiales e instrumentos de medida

4.1. Probetas

Se usara una probeta similar para el ensayo de la determinación de las propiedades mecánicas es obligatorio precisar el diámetro de trabajo para nuestro caso el diámetro de trabajo será (∅=12.8 mm) y cuya longitud sera de 38.9 mm.El estándar ASTM E-9 reconoce tres tipos de probetas (cortas, medianas, largas ) ver figura 4.

Figura Nro. 4.

El mismo estándar recomienda que las caras de las probetas y de las superficies de apoyo deban ser limpiadas con acetona u otro disolvente antes del ensayo, con el objeto de remover la grasa, aceite y marcas de dedos!!!!!! .

4.2. Maquina Universal de Ensayos

Para la compresión de la probeta y medición de las fuerzas se usará la Máquina universal de ensayos, tenemos modelos tales como:

4.2.1. La Máquina de ensayo de materiales electromecánica – serie EUROTESTDiseño flexible, simple espacio o doble espacio de ensayo. Es una máquina de ensayo, construida para cumplir con las máximas exigencias en ensayo de materiales según normativa de ensayo internacional: ensayo de tracción ISO 6892, ISO 1608, EN 10002-1y ASTM E23, ensayo de compresión ASTM D695, ensayo de flexión ASTM E290, ensayo según NADCAP.

Determinación con la máxima precisión de los parámetros clave en múltiples ensayos de materiales, como son el límite elástico convencional al 0,2%, límite superior e inferior de fluencia, carga máxima de rotura, alargamiento máximo, etc.Cálculo automático de anisotropía y acritud mediante la combinación de extensómetros axiales y transversales.



Las configuraciones disponibles para la serie de máquinas EUROTEST de IBERTEST, son casi ilimitadas. La máquina de ensayo electromecánica EUROTEST puede adaptarse al ancho, largo, capacidad (hasta 1200 kN), normativa de ensayo, etc. que se requiera.

La combinación de un marco polivalente, con decenas de dispositivos de ensayo posibles, así como células de carga intercambiables, cámaras climáticas, hornos, extensómetros (manual y automática), … otorgan a esta máquina de ensayo unas amplias posibilidades para todo tipo de ensayos estáticos y de fatiga a bajas frecuencias.

Figura Nro. 5. Máquina de ensayo de materiales electromecánica –

Serie EUROTEST

4.2.2. MAQUINA UNIVERSAL DE ENSAYO WPM ZD 40

En la máquina universal de ensayo WPM ZD 40 se pueden realizar ensayos de tracción, compresión y flexión, con el objeto de determinar las propiedades de muchos materiales. La máquina trabaja hidráulicamente y es accionada por un motor eléctrico, esto para la parte encargada de la aplicación de la carga a las probetas; para la parte de medición, la máquina de ensayos está equipada de una celda de carga para medición de fuerza y de un LVDT (Transformador Diferencial Variable Lineal) para la medición de desplazamientos.

Ya que el sistema hidráulico (ver esquema Fig. 7) posee un cilindro de simple efecto, al aplicar presión hidráulica la placa (5) “sube” realizando una acción de compresión contra la placa ajustable (7). Para poder realizar una acción de tracción la máquina posee un “inversor”. Que consta de las placas (4) y (5) unidas solidariamente por las columnas



(6). El funcionamiento de dicho dispositivo se muestra en la Fig. 7.

Figura Nro. 6. Maquina universal de ensayos WPM ZD 40

Figura Nro. 7. (a) Inversor de la maquina universal de ensayos (b) Esquema hidráulico general de la maquina universal

4.3. Instrumentos convencionales de medida

Para la medición de longitud y diámetro de la probeta se usan instrumentos convencionales tales como: el calibrador Vernier y el micrómetro. Para medir la deformación de la probeta se utiliza el comparador de carátula y el extensómetro La medición de los alargamientos (deformación total δ) de la probeta se efectúa midiendo el desplazamiento de las columnas del inversor (material no disponible para nuestro grupo de estudio FIME) con respecto a la placa ajustable (ver Fig. 6), que durante el ensayo se mantiene fija. Esta medición se realiza por medio de un comparador de carátula el cual permite realizar mediciones de desplazamientos con precisión de 0,01 mm.

El comparador de carátula se fija a una de las columnas del inversor por medio de una barra y un magneto. Su punta palpadora debe estar contraída casi en su totalidad y tocando la cara superior de la placa ajustable 7 figura 6. Al usar este esquema de medición (Fig. 8) el instrumento trabajará a tracción; se debe poner mucha atención, ya que la lectura del instrumento se hará en sentido contrario a la



habitual. Algunos de los comparadores poseen una escala en sentido contrario, denotada por cifras de menor tamaño. En conclusión: la medición de la variable deformación se realizaría con ayuda del comparador instalado entre el puente y la columna. Esta medición estará dada en centésimas de milímetro. Pero en nuestro caso estará determinada por la medida realizada por el Vernier en el desplazamiento de la placa ajustable (cilindros).

Figura Nro. 8 Esquema de medición de las deformaciones de la probeta

5. Realización del ensayo

a. Tomaremos las medidas respectivas de la probeta a trabajar en este laboratorio usaremos una probeta de aleación de aluminio cuyas medidas de trabajo son:

Longitud: 12.8mmDiámetro: 38.9mm

b. Colocaremos en la maquina universal de ensayos de manera axial, observando primero en el dinamómetro la carga sea aproximadamente cercano a cero con un error relativo que tomamos de:

Error relativo = - 00.8 KN

c. Realizaremos 10 palanqueadas para conseguir una compresión anotando datos seguidamente hasta alcanzar la deformación.



Dónde: datos recogidos

Área inicial para hallar esfuerzas en el sistema ingenieril: A0= 1.28x10-4 m2

Donde los esfuerzos los hallaremos mediante la fórmula:

σ= FnAo

Y la deformación unitaria será encontrada con la variación de longitud de cada palanqueada con los datos siguientes mostrados:

F1=-0.08 KN (dato inicial con error relativo) ------ L1=48.8 mm…. Deformación unitaria nula.F2=-01.4 KN ------ L2=47.6 mmF3=-01.7 KN ----- L3=45.8 mmF4=-02.1 KN ----- L4=44.3 mmF5=-02.6 KN ----- L5=42.4 mm

Entonces:

ε inicial = 0

ε1=L1−L2Longitud

=48.8mm−47.6mm38.9mm

=0.03084

Así sucesivamente mostrados en la siguiente tablaDonde también mostramos los esfuerzos sobre la probeta ya previamente calculadas:


ε(mm/mm) σ(Kpa)0 0

0.03084 10937.5KPa0.07712 13281.25KPa0.11568 16406.254KPa0.16452 20312.5KPa


0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.180

5000

10000

15000

20000

25000

Series2

Figura Nro.9. Datos traspados a Excel (Curva de esfuerzo vs. deformación unitaria)

Figura Nro. 10. Exposición final de la probeta de aleación de aluminio



6. CONCLUSIONES

El ensayo de compresión es un ensayo relativamente sencillo que nos permite medir la carga última a la que un metal falla. Sin embargo es muy importante tener en cuenta las simplifaciones que este ensayo supone, y por las cuales no es un método exacto, sino más bien aproximado, a pesar de esto es un ensayo muy solicitado, ya que la sencillez de su método y el equipo que utiliza lo convierten en un ensayo de bajo costo en relación a otros relacionados, como el ensayo triaxial, que requiere un equipo mas especializado.

7. BIBLIOGRAFIA

- Mecánica de materiales- Beer –Jhonson 2007- Física II – Lic. Fis. Ausberto R. Rojas Saldaña – Editorial San Marcos.- Ciencia de los materiales – Diseño y Selección – Mangonon.


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