Ensayo de Flexion y de Impacto

Laboratorio del Ciencia e Ingeniería de los materiales

A) Ensayos de Flexión, B) Ensayo de Impacto 18-jun, I Termino 2017-2018

Luz Bernarda Alulima Vivanco Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil / Ecuador [email protected] Resumen En esta práctica tratamos el ensayo flexión de una varilla de hierro y el ensayo de impacto en una probeta con la norma ASTM E23 respectivamente, para el ensayo de flexión tomamos la probeta y la sometimos a una carga que gradualmente fue aumentado en la máquina que utilizamos en esta práctica, a medida que aumentamos la carga observamos cómo se comporta el material, para el ensayo de impacto se desea determinar el comportamiento de la cuatro probetas sometidas a una cargas de choque, medimos la energía absorbida al romperse cada una de ellas, teniendo en cuenta que cada una de ellas está a diferente temperatura.

Palabras Clave: flexión, probeta, impacto, ensayo, choque.

Introducción Tensión en flexión (f). - Puede ser calculada a cualquier punto sobre la curva de carga –deflexión usando las ecuaciones 1 y 2, dependiendo de la sección transversal de la muestra. Sección rectangular δf =

3 PL 2 b d2

Ec. 1

Seccion circular δf =

FL π R3

Ec. 2

Donde: f ≡ Tensión de flexión (MPa) P ≡ La carga a un determinado punto sobre la curva cargadeflexión L ≡ Longitud de soporte (mm) b ≡ Ancho de la muestra (mm) d ≡ Espesor de la muestra (mm Fuerza de flexión máxima(fm). - Es la máxima capacidad del material para resistir deformación plástica y viene dada por la ecuación 3 para un ensayo de flexión de 3 puntos. δ fm=

3YL 2b d2

Ec.3

Donde: fm ≡ Tensión de flexión máxima (MPa) Y ≡ Punto de fluencia en la cual la carga no incrementa con el incremento en deformación L ≡ Longitud entre rodillos de soporte (mm) b ≡ Ancho de la muestra (mm) d ≡ Espesor de la muestra (mm)

Deformación de flexión (f). - es el cambio en la fracción nominal en la longitud de un elemento de la superficie externa de la muestra a la mitad de la longitud del punto de soporte, donde ocurre la máxima deformación. La deformación de flexión Se calcula mediante la ecuación 4. ϵf =

6 Dd Ec .4 L2

Donde

f ≡ deformación de flexión D ≡ Máxima deflexión del centro del arco (L) L ≡ La longitud entre rodillos de soporte (mm) d ≡ Espesor de la muestra (mm) Módulo de elasticidad. - Es la relación dentro del límite elástico, entre la tensión y la deformación, expresada por la ecuación 5.

Calculamos la resiliencia de las probetas por medio de la ecuación 6. ℜ=

Ea sF

Ec. 6

Donde Ea ≡ Energía absorbida por cada material SF ≡ Sección transversal

Procedimiento Parte A Ensayo de flexión o doblez Medimos el espesor y ancho de la probeta de ensayo y la longitud de separación de los rodillos, para el posterior cálculo del esfuerzo, deformación y modulo elástico, marcamos con tinta indeleble los puntos donde se aplicará la carga bajo flexión de tres puntos, definimos la velocidad de carga con base en el espesor de la muestra, de acuerdo a lo establecido en la norma que se está siguiendo para realizar el ensayo, colocamos la muestra en la máquina de ensayos y aplicamos la carga gradualmente hasta la fractura de la probeta y finalmente registramos la carga aplicada para cada valor de deflexión.

Ensayo de impacto

Ef =

m L3 4 b d3

Ec. 5

Figura 1. Esquema de una muestra sometida a flexión.

Medimos las dimensiones de la muestra de ensayo, las medidas estándar de las muestras son 10x10x55 mm3 con un ángulo de entalla de 45o y 2 mm de

profundidad localizada en el centro de la muestra. Ensayamos las muestras a la temperatura correspondiente de -60 ℃ y 100 ℃ , colocamos la muestra en la máquina de ensayo Charpy. Se eleva el péndulo a la altura correspondiente a la máxima energía almacenada de 300J y se liberó el péndulo para impactar la muestra, aseguramos el péndulo colocándolo en su posición inicial en la máquina de ensayos, retire cuidadosamente la muestra sin dañar la superficie de fractura. Registramos la energía absorbida para esa temperatura y repita el ensayo a la misma temperatura para obtener un valor promedio. Resultados Las tablas de datos están en el anexo A. El procesamiento de datos está en anexo B. Las gráficas están en anexo C. Las tablas de resultados están en anexo D.

Análisis de Resultados, Conclusiones y Recomendaciones Para la varilla de hierro calculamos la tensión en flexión que para la sección circular nos dio un valor de 63,7 kN/mm2 mientras que para la sección rectangular nos dio un valor de 37,5 kN/mm vemos que en la región circular es mayor esta tensión debida a la geometría de la misma, la fuerza de flexión máxima nos dio un valor de 7,56 kN/mm2 y este valor lo obtuvimos al alcanzar la máxima carga en el ensayo que fue de 11 kN, al momento que la varilla ya no tiene resistencia la carga va

disminuyendo. Calculamos una deformación de deflexión de 0.58 y un módulo de elasticidad de 1,22 kN/mm2 o 1,2x1010 N/m2 que comparándolo con el módulo de elasticidad teórico que es de 1,7x1010 N/m2 nos da un cálculo baste aproximado. Para el ensayo de impacto utilizamos el ensayo de Charpy y analizamos distintas probetas. Para la probeta 1 con una temperatura de -60°C y un área experimental de 24,2 mm2 observamos la menor área experimental y para la probeta de 100 °C obtuvimos la mayor área que fue de 41,9 mm2 La gráfica temperatura versus energía absorbida, se encuentra en el intervalo de transición en el cual la tendencia que sigue la gráfica igualmente a la anterior es de un cambio de concavidad que no muestra debido a los pocos datos graficados, pero si es evidente el cambio de pendiente. En conclusión, en el ensayo de flexión no se obtuvo ninguna fisura en el material flexionado. Realizamos este ensayo de impacto a una probeta de acero no estandarizada según la norma requerida, lo que explica los elevados porcentajes de error para el área de cada probeta, previo a la realización del ensayo se recoció el material para alcanzar temperaturas altas y se trabajamos con hielo seco con diluyente para llegar a bajas temperaturas y verificamos que a mayor temperatura el material tendrá mayor ductilidad.

Referencias Bibliográficas / Fuentes de Información

William Callister. (1995). Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. Barcelona: Reverte.

ANEXO A – TABLAS DE DATOS

Tabla 1. Datos de la probeta del ensayo de flexión. Diámetro [mm]

Área [mm2]

Carga máxima [kN]

Longitud calibrada [mm]

Distanci a entre apoyos [mm]

12.00

113.1

11.00

200.0

72.00

Longitu d calibrad a [mm] 36.00

Tabla 2. Medios de enfriamiento de las probetas y condiciones de ensayo. Temperatura Medio de enfriamiento

Bajo 0°C Hielo seco

0°C Hielo + etanol

25°C Temperatura ambiente

Tabla 3. Datos del ensayo de impacto Charpy Probeta 1 2 3 4

Temperatura [°C] -60 -8.6 22.8 100

Largo [mm] 55.00 55.00 55.00 55.00

Ancho [mm] 7.40 7.70 7.35 8.88

ANEXO B – PROCESANIENTO DE DATOS

Parte A

Probeta de hierro

Tensión en flexión o Sección rectangular

Longitud de fractura [mm] 3.27 4.52 5.40 4.72

100°C Agua hirviendo

2

12 ¿ ¿ 2(12)¿ 3(600)(72) δF= ¿ o Sección circular

6 ¿2 ¿ π¿ (600)(72) δF= ¿

Fuerza de deflexión máxima 12¿ 2 ¿ 2(12)¿ 3(11)(72) δ Fm= ¿

Deformación de flexión 2

72 ¿ ¿ ¿ 6(42)(12) ϵ F= ¿

Módulo de elasticidad 72 ¿3 ¿ 12 ¿3 ¿ 4(12)¿ (0,271)¿ E F=¿

Parte B

Probeta 1 SF: 3,27 mm Re =

8,3 =2,54 3,27

Calculo de área experimental A=

7,40 ( 3,27 )=24,2 m m2

Porcentaje de error E=

80−24,2 x 100=69,75 80

Probeta 2 SF: 4,52 mm Re =

10,5 =2,32 4,52

Calculo de área experimental A=

7,70 ( 4,52 )=32,8 m m2

Porcentaje de error E=

80−32,8 x 100=59 80

Probeta 3 SF: 5,40 mm

Re =

12,8 =2,37 5,40

Calculo de área experimental A= Porcentaje de error E=

80−39,7 x 100=50,38 80

7,35 (5,4 )=39,7 mm2

Probeta 4 SF: 4,72 mm

Re =

12,75 =2,7 4,72

Calculo de área experimental A=

8,88 ( 4,72 )=41,9 mm 2

Porcentaje de error E=

80−41,9 x 100=47,63 80

ANEXO C – GRAFICAS

45

42

40 35

Carga [kN]

30 25 20 15 10 5 0

0 0

2

4

6

8

10

Deflexion [mm]

Gráfica 1. Curva esfuerzo- deformación de la probeta de hierro

12

14

47,63%

Energia absorvida por el impacto [J]

12

50,38%

10

59%

8

69,75%

6 4 2

-80

-60

-40

-20

0

0

20

40

60

80

100

120

Temperatura [°C]

Gráfica 2. Curva Energía absorbida-Temperatura de la probeta e acero ANEXO D – TABLAS DE RESULTADOS Tabla 4. Resultados de la probeta de metal Parámetro Tensión en Sección rectangular flexión Sección circular Fuerza de flexión máxima Deformación de deflexión Módulo de elasticidad Pendiente de la gráfica cargadeflexión

Valor 37,5 [kN/mm2] 63,7 [kN/mm2] 7,56 [kN/mm2] 0,58 1,22 [kN/mm2] 0,271

Tabla 5. Resultados de la energía absorbida por el impacto

Probeta

Temperatura [°C]

Energía absorbida por el impacto [J]

1 2 3 4

-60.10 -8.600 22.80 100.0

8.300 7.300 12.80 12.75

Área experimenta l [mm2] 24.2 32.8 39.7 41.9

Porcentaj e de error [%] 69,75 59,00 50,38 47,63

ANEXO E – INVESTIGACION Parte A Las aplicaciones industriales de este experimento y para qué tipo de materiales se usa comúnmente. En la industria se utiliza este experimento en la soldadura, se utiliza esta prueba de doblar guía para determinar lo fuerte que es la soldadura, el material debe ser capaz de doblarse hasta 180 grados sin ningún tipo de grietas que se aprecien para que pueda ser utilizado sin problema en su destino, bien sea en la construcción, en la industria naval o siderúrgica.

Parte B Porque los metales con estructuras cristalinas BCC y FCC presentan diferentes comportamientos de fractura a bajas temperaturas de ensayo. Un metal BCC se transforma a FCC si se disminuye la ductilidad y se incrementa la resistencia, debido a la falta de movilidad de los átomos de hierro al formar la estructura FCC y a la disminución del número de sistemas de deslizamiento, de 48 (BCC) a 12 (FCC).