Pre informes de tensión, compresión y flexión a tres puntos

Por: Camilo Piñeres Petro

Para: ing. demóstenes Durango

Universidad de córdoba

Facultad de ingenierías

Ingeniera mecánica

Monteria-Cordoba

PREINFORME ENSAYO DE TRACCIÓN O TENSIÓN

NORMA ASTM E8, DIN 53455, ISO/DP 527

OBJETIVOS: El objetivo del ensayo de tracción es determinar aspectos importantes de la resistencia y alargamiento de materiales, que pueden servir para el control de calidad, las especificaciones de los materiales y el cálculo de piezas sometidas a esfuerzos.

1. INTRODUCCION

Uno de los ensayos mecánicos tensión-deformación más común es el realizado a tracción. El ensayo de tracción puede ser utilizado para determinar varias propiedades de los materiales. Normalmente se deforma una probeta hasta rotura, con una carga de tracción que aumenta gradualmente y que es aplicada úniaxialmente a lo largo del eje de la probeta. Los ensayos de tracción se realizan en materiales metálicos (aluminio y probeta de acero). Existen diferentes normas para realizar el ensayo de tracción, DIN 53455, ISO/DP 527, ASTM E8

2. TIPOS DE PROBETAS Las probetas de ensayo para materiales metálicos se obtienen, generalmente por mecanizado de una muestra del producto objeto de ensayo, o de una muestra moldeada. En el caso de tratarse de productos que tengan una sección constante (perfiles, barras, etc.) o de barras obtenidas por moldeo, se pueden utilizar como probetas las muestras sin mecanizar. La sección de la probeta puede ser circular, cuadrada o rectangular.

Generalmente las probetas de ensayo para materiales no metálicos se pueden preparar por prensado, por inyección o bien por arranque de viruta mediante corte de planchas. En general hay tres tipos de probeta:

a) plásticos rígidos y semirígidos.

Las probetas se conformarán de acuerdo a las dimensiones de la figura 1. El tipo de muestra M-I es la muestra preferida y se usará cuando haya material suficiente tendiendo un espesor de 10 mm o menor. El tipo de probeta M-III se empleará cuando el material sometido al ensayo presente un espesor de 4 mm o menor y el tipo de probeta M-II se usará cuando sean requeridas comparaciones directas entre materiales con diferente rigidez (no rígido y semi-rígido).

b) Plásticos no rígidos

Se emplea el tipo de probeta M-II con espesores de 4 mm o menores. El tipo de probeta M-I debe ser empleado para todos los materiales con espesores comprendidos entre 4 y 10 mm.

c) Materiales compuestos reforzados

Las probetas para materiales compuestos reforzadas serán del tipo M-I. En todos los casos el espesor máximo de las probetas será de 10 mm. Las probetas que se van a ensayar deben presentar superficies libres de defectos visibles, arañazos o imperfecciones. Las marcas correspondientes a las operaciones del mecanizado de la probeta serán cuidadosamente eliminadas con una lima fina o un abrasivo y las superficies limadas serán suavizadas con papel abrasivo.

El acabado final se hará en una dirección paralela al eje largo de la probeta. Si es necesario hacer marcas para las mordazas, éstas se harán con pinturas de cera o tinta china, las cuales no afectan al material. Nunca se harán arañazos o marcas con punzones. Cuando se sospeche de la presencia de anisotropía en las propiedades mecánicas, se harán probetas con idénticas dimensiones teniendo sus ejes largos paralelos y perpendiculares a la dirección sospechada de anisotropía.

3. PROCEDIMIENTO TEORICO

El ensayo consiste en deformar una probeta por estiramiento uniaxial y registrar dicha deformación frente a la tensión aplicada. Se realiza en dinamómetros o máquinas de tracción (Figura 2) con velocidad regulable y un registro gráfico. Los diagramas así obtenidos, denominados diagramas de tensión-deformación, tienen la forma que se indica en la figura 3. En dicha figura se muestran los diagramas tensión deformación de 4 tipos de plásticos diferentes así como los diferentes parámetros que se pueden obtener del ensayo.

Las probetas tienen que medirse por lo menos en cinco puntos dentro de la longitud marcada y la diferencia de la medida no puede ser mayor de 0.1 mm. La probeta se coloca dentro de las mordazas tensoras, de manera que se adapten bien y tengan efecto de cuña con accionamiento neumático, hidráulico o manual. La fuerza inicial no debe ser demasiado alta, porque de lo contrario podría falsear el resultado del ensayo. Así mismo se debe cuidar que no se produzca deslizamiento de la probeta. La máquina de ensayos está diseñada para alargar la probeta a una velocidad constante y para medir continua y simultáneamente la carga instantánea aplicada (con una celda de carga) y el alargamiento resultante (utilizando un extensiómetro) (figura 2). El ensayo dura varios minutos y es destructivo, o sea, la probeta del ensayo es deformada permanentemente y a menudo rota. La velocidad de estiramiento será siguiendo la norma ASTM.

4.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

-Medir el ancho y espesor de la probeta con un calibre o nonius en diferentes puntos a lo largo de su sección.

-Hacer una marca en la probeta para poder medir posteriormente el alargamiento máximo experimentado.

-Colocar la probeta en la máquina de ensayo y sujetarla con las mordazas.

-Seleccionar la velocidad de ensayo de acuerdo con la norma ASTM. Ha de ser siempre aquella que provoque rotura de la probeta en un tiempo comprendido entre 0.5 y 5 minutos.

5- DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS PROBETAS ENSAYADAS La evaluación del ensayo se realiza a partir de las curvas tensión-deformación. Los parámetros más importantes son tensiones (en N/mm2 o en MPa), Módulo de elasticidad y deformación o alargamiento (en %). Veamos lo más característico:

a) Tensión de tracción (σ): Se calcula a partir de la fuerza de tracción soportada por la probeta dividida por su sección transversal.

b) Límite elástico (σy): Es la máxima tensión que el material es capaz de mantener sin desviación de la ley de Hooke, es decir es una medida de su resistencia a la deformación elástica. Se expresa en fuerza por unidad de área, generalmente MPa.

c) Resistencia a la tracción (σmax): Tensión máxima de tracción que ha soportado la probeta durante el ensayo.

d) Tensión de tracción a rotura (σR).- Tensión de tracción soportada por la probeta en el momento de su rotura.

e) Modulo de elasticidad o Módulo de Young.- Es la relación entre la tensión realizada y la deformación adquirida en el tramo lineal de la curva tensión-deformación (región elástica). Sus unidades son MPa o N/mm2. Se calcula mediante la tangente a la recta en el tramo lineal.

f) Alargamiento (∆l) y deformación (ε): ∆l es el incremento en longitud producido por la tensión de tracción y se expresa en unidades de longitud, usualmente milímetros. La deformación se define como ∆l/l0, en donde l0 es la longitud original antes de aplicar la carga y no tiene unidades. A veces, la deformación se expresa como porcentaje. Generalmente se calculan tres tipos de deformaciones:

f1) deformación en el límite elástico (εY) f2) deformación a la tensión máxima (εMax) f3) deformación a la rotura (εR)

Generalmente se da la deformación en el límite elástico convencional o en el punto de fluencia convencional que corresponde al 0.2% de elongación.

PREINFORME ENSAYO DE FLEXION – ISO 178 y ASTM E290 Para materiales metálicos

OBJETIVOS

Analizar el comportamiento de los materiales metálicos al ser sometidos a un esfuerzo de flexión pura.

Reconocer y determinar de manera práctica las distintas propiedades mecánicas de los materiales sometidos a esfuerzos flexión pura.

Determinar, a través del ensayo experimental, el módulo de Young o módulo de elasticidad del material ensayado. Familiarizarse con las definiciones básicas de la resistencia de los materiales tales como: Momento flector, deflexión, diagrama de fuerza aplicada versus deflexión, esfuerzo por flexión.

Comprobar experimentalmente la ecuación de la elástica.

Introducción

En ingeniería se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. El término "alargado" se aplica cuando una dimensión es dominante frente a las otras. Un caso típico son las vigas, las que están diseñas para trabajar, principalmente, por flexión. Igualmente, el concepto de flexión se extiende a elementos estructurales superficiales como placas o láminas. El esfuerzo de flexión puro o simple se obtiene cuando se aplican sobre un cuerpo pares de fuerza perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que provoquen el giro de las secciones transversales con respecto a los inmediatos.

Los ensayos de flexión de 3 puntos establecidos en las normas ISO 178 y ASTM D 790 representan los métodos clásicos de caracterización para plásticos rígidos y semirrígidos. Algunos resultados típicos son el módulo E de flexión, la tensión al 3,5% de deformación, así como tensiones y alargamientos en el límite elástico y en caso de rotura de la probeta.

Los resultados del ensayo de flexión muestran, sobre todo, el comportamiento del material más cercano a la superficie de la probeta. En comparación con el ensayo de tracción, las flechas medidas en el ensayo de flexión son aproximadamente cuatro veces superiores a las extensiones producidas en el ensayo de tracción.

CARGAS Y CONDICIONES EN LOS APOYOS DE UNA VIGA.

Diagramas de cortante y momento: Debido a las cargas aplicadas (P), la barra desarrolla una fuerza cortante (V) y un momento flexionarte (M) internos que, en general, varían de punto a punto a lo largo del eje se la barra. Se determina la

fuerza cortante máxima y el momento flexionante máximo expresando V y M como funciones de la posición L a lo largo del eje de la barra. Esas funciones se trazan y representan por medio de diagramas llamados diagramas de cortante y momento. Los valores máximos de V y M pueden obtenerse de esas gráficas.

Deformación por flexión:El comportamiento de cualquier barra deformable sometida a un momento flexionante es al que el material en la posición inferior de la barra se alarga y el material en la porción superior se comprime. En consecuencia, entre esas dos regiones existe una superficie neutra, en la que las fibras longitudinales del material no experimentan un cambio de longitud. Además, todas las secciones transversales permanecen planas y perpendiculares al eje longitudinal durante la deformación

Esfuerzo de flexión: Esfuerzo normal causado por la “flexión” del elemento. El máximo esfuerzo normal es igual a:

Donde: M = Momento máximo flector., tenemos:

c= Distancia perpendicular del eje neutro al punto más alejado de este y sobre el cual actúa Esfuerzo de flexión.

I= momento de inercia de la sección transversal

Por tanto la ecuación de esfuerzo máximo resulta:

El esfuerzo correspondiente puede ser de tensión o de compresión.

Deformación unitaria:

Donde:e= deformación unitaria, D = diámetro de la barra, ΔL= stroke (deflexión de la barra) y L = longitud de la barra.

En muchos materiales frágiles no se puede efectuar con facilidad el ensayo de tensión debido a la presencia de defectos de superficie. A menudo con solo colocar un material frágil en las mordazas de la máquina de tensión este se rompe. Estos materiales se pueden probar utilizando el ensayo de flexión. Al aplicar la carga en tres puntos causando flexión, actúa una fuerza que provoca tensión sobre la superficie, opuesta al punto medio de la probeta. La fractura iniciara en este sitio. La resistencia a la flexión, o módulo de ruptura describe la resistencia del material:

resistencia a la flexión= 3FL

2w h2

Donde F es la carga a la fractura, L la distancia entre los dos puntos de apoyo, w es el ancho de la probeta, y h es su altura.

Los resultados de la prueba de flexión son similares a las curvas esfuerzo-deformación; sin embargo el esfuerzo se traza en función de deflexiones, en vez de en función de deformaciones.

El módulo de elasticidad a la flexión o modulo en flexión se calcula en la región elástica de la figura

moduloen flexión= L3 F4wh3δ

Donde δ es la deflexión de la viga al aplicarse una fuerza F

PREINFORME ENSAYO DE COMPRESION

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 ensayo

El 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.

Determinación de las propiedades del material:

Ejemplo: norma EN 196-1 resistencia mecánica de cementos y morteros. Se busca obtener valores “absolutos” de resistencia del cemento, de forma que se puedan clasificar y comparar.En esta normativa se describe todo el proceso de ensayo de forma que su preparación, curado y proporción de componentes no pongan en compromiso la comparación de resultados entre diferentes fábricas y países.

Las probetas se preparan mediante la mezcla controlada del cemento, junto con los áridos y el agua en composición, cantidades y con un procedimiento muy detallado. Las propiedades mecánicas del cemento determinadas en el ensayo de compresión según EN 196-1 dependen directamente del proceso de preparación de probeta, su curación y por supuesto de la máquina de ensayo y el procedimiento de ensayo de compresión.

Comportamiento del elemento a ensayar:

En este caso, el objetivo está orientado principalmente a la determinación de los límites de trabajo del elemento en cuestión: fuerza máxima, deformación a rotura, inicio de grieta, etc.

Estos valores permitirán verificar que los diseños realizados teóricamente se corresponden con los valores empíricos obtenidos en una simulación real de trabajo.Para que el ensayo se realice de forma precisa y repetitiva, se necesita una máquina de ensayo que garantice que tanto las mediciones como el control, como su comportamiento son por lo menos como lo requiere la norma.

Por último, es necesario disponer de un software de ensayo de materiales capaz de permitir al usuario configurar el ensayo, realizar los cálculos acorde a la normativa en cuestión, representar gráficas y analizar valores.

Existe numerosa normativa internacional que define con detalle los parámetros del ensayo, requisitos de la máquina de ensayo, cálculos a realizar sobre los valores obtenidos en el ensayo de tracción, etc.

En función del tipo de material, su proceso de fabricación, aplicación y condiciones de trabajo, existe una normativa concreta

EN 196-1 : resistencia mecánica de cementos y morteros ASTM C109: Resistencia a compresión de morteros de cemento con probetas de

2” ASTM C349: Resistencia a compresión de morteros de cemento usando prismas

partidos a flexión ISO 679 : Determinación de la resistencia del cemento EN 12390-3: Resistencia a compresión del hormigón EN 12390-4: Características de la máquina de ensayo para determinación de

resistencia del hormigón ISO 4012: Determinación de resistencia del hormigón a compresión ASTM C39: Determinación de la resistencia en ensayo de compresión de probetas

cilíndricas de hormigón ASTM E-9 : Ensayo de compresión sobre materiales metálicos ASTM D-695: ensayo de compresión sobre plásticos

Probeta estándar:

Las probetas para los ensayos de compresión de materiales metálicos recomendados por la ASTM. Las probetas cortas son para usarse con metales antifricción. Las de probetas medianas Para uso general y las probetas largas para ensayos que determinen el módulo de elasticidad. Las deformaciones verdaderas involucradas en el proceso de conformado plástico son del orden de 2 a 4 (mucho

mayores que las que obtienen en un ensayo de tracción) con altas tasas de deformación.

NORMA A UTILIZAR ASTM-E9-70

ESTÁNDAR METTHOSD OF COMPRESSION TETING OF METALLIC MATERIALS AT ROOM TEMPERATURE

PROCEDIMIENTO

Paso 1Se anotan las medidas correspondientes iníciales a la probeta a ensayar Se le hacen las marcas a la probeta para ver en el término del ensayo hasta que medida termino.

Paso 2Nos familiarizamos con la máquina e instrumentos de ensayo y se colocan los aditamentos correspondientes para sujetar la probeta Se procede a bajar la máquina para colocar la probeta en el lugar indicado, asegurando que este lo más centrada posible a la base.

Paso 3Antes de comenzar nuestro ensayo procederemos a colocar una hoja de papel milimétrico en la parte destinada a ello en la parte frontal de la maquina y un indicador de caratula correctamente calibrado en la parte inferior de la maquinaria.

Paso 4Procedemos a bajar el plato superior hasta que casi esté a punto de tocar la probeta (1-2 mm) Nos cercioramos de que el extensómetro este correctamente colocado antes de comenzar nuestra practica

Paso 5Cuando la maquina es puesta en marcha el indicador de caratula antes mencionado es puesto a cero Y se procede a ir tomando los datos mostrados por nuestra Maquina.

Paso 6

Mientras la carga va en aumento veremos como la probeta se comprime poco a poco Mientras a su vez en la hoja milimétrica que colocamos en la maquina se va reflejando la gráfica correspondiente a la deformación que está recibiendo la probeta

Paso 7Conforme el tiempo y la carga aumentan la probeta terminara por comprimirse hasta que nuestra maquina no pueda ofrecer más presión Ya que acabamos con nuestro ensayo procedemos a tomar las nuevas medidas de nuestra probeta

PROPIEDADES MECÁNICAS QUE SE HALLAN Y COMO SE CALCULAN