informe_1_traccion

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA

Departamento de Ingeniería Mecánica SANTIAGO

TITULO DE LA EXPERIENCIA __________________________________

Determinación de la resistencia a la tracción _________________________________

EXPERIENCIA N° _ 208 _ Grupo N°_ 03 _ Fecha de la Exp: _ Lunes 06 de Abril 2015 _ Fecha de Entrega Lunes 13 de Abril 2015

NOMBRE ASIGNATURA__ Tópico II Polímeros y materiales compuestos ________________CODIGO__ 15073 __ CARRERA____ Ingeniería de ejecución en mecánica __________Modalidad (Diurna o Vespertina)_____ Diurna _____________ NOMBRE DEL ALUMNO______ Morales _____________ Lineros ____________ Marcelo Esteban __________ Apellido Paterno

Apellido Materno

Nombre

________________________ Firma del alumno Fecha de Recepción

Nota de Interrogación ________________

Nombre del Profesor ________ Bernardo Garate _____________

Nota de Participación ________________ Nota de Informe ____________________ _________________________________ Nota Final __________________ ______ ________________

Firma del Profesor

SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X ________ Presentación ________ Características Técnicas ________ Descripción del Método seguido OBSERVACIONES

________ Cálculos, resultados, gráficos ________ Discusión, conclusiones _______ Apéndice

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

Determinación de la resistencia a la tracción Polímeros y materiales compuestos Marcelo Esteban Morales Lineros Profesor: Bernardo Garate Departamento de ingeniería mecánica 13/04/2015

Índice

1

Resumen .......................................................................................................................... 3

2

Objetivos ......................................................................................................................... 3 2.1

Objetivo general .................................................................................................................. 3

2.2

Objetivos específicos ........................................................................................................... 3

3

Metodología .................................................................................................................... 3

4

Características técnicas ................................................................................................... 5

5

Presentación de datos ..................................................................................................... 5

6

Resultados ....................................................................................................................... 6

7

Conclusiones.................................................................................................................... 6

8

Apéndice.......................................................................................................................... 8 8.1

Teoría .................................................................................................................................. 8

8.2

Valores calculados ............................................................................................................... 9

2

1

Resumen Esta experiencia consistió en un ensayo de tracción a tres tipos de polímeros, siendo estos poliamidas, polipropilenos y polietileno. Se realizó un primer ensayo a una velocidad de deformación baja y otro a velocidad alta. Donde se obtuvieron resultados como la gran tenacidad de estos polímeros pero que a la velocidad de deformación alta, materiales como el polipropileno se fracturaron rápidamente. Además se pudo observar la propagación de la estricción en estos materiales la cual no ocurre en materiales como el acero, donde se fractura de manera casi inmediata en el lugar de la estricción.

2 2.1

Objetivos Objetivo general Conocer los polímeros y materiales compuestos como materiales de ingeniería, y su aplicación industrial para la fabricación de piezas, componentes, y productos de uso general.

2.2

Objetivos específicos     

3

Realizar un ensayo para determinar la resistencia a la tracción de materiales plásticos. Obtener el diagrama fuerza-elongación de cada ensayo. Determinar con el diagrama, fuerza-elongación el módulo de elasticidad de cada material. Determinar la tenacidad de cada material. Determinar otros valores característicos como límite elástico, tensión máxima y de ruptura, porcentaje de estiramiento total y, si procede, estricción.

Metodología En esta experiencia se comenzó con 6 probetas para realizar el ensayo, las cuales eran de 3 diferentes materiales, siendo estos Robalón, Technyl y Polipropileno. Estas probetas se encontraban identificadas con sus respectivos nombres de cada material. Como primer paso, se le añaden marcas identificando las probetas con números en alguna de sus bases, y posteriormente se le añaden marcas en su parte cilíndrica como muestra la ilustración 1 las cuales serán utilizadas para medir la longitud. 3

Ilustración 1. Forma de la probeta, en color gris se muestran las marcas hechas con lápiz de punta fina.

A continuación usando un pie de metro, se midieron los diámetros de la sección cilíndrica en la cual se encuentran las marcas hechas, y también se midió la distancia entre las marcas, estos valores son registrados como valores iniciales de longitud (L0) y diámetro (ø0). Subsiguientemente se pasó a utilizar la máquina universal de ensayos, en la que se sujetaba cada extremo de la probeta a una mordaza de sujeción de la máquina, la cual se ajustó para trabajar con la escala de 0 a 1000 [Kgf]. El procedimiento consistió en 2 rondas, en una primera ronda se trabajó a una velocidad de deformación relativa lenta de 50 [mm/min] y en la segunda ronda se trabajó a velocidad relativa rápida de 200[mm/min]. En cada ronda se sometieron a ensayo una probeta de cada material, es decir un total de 3 probetas por ronda. En los casos de las probetas de Robalón y Polipropileno sometidos a velocidad relativa baja, no se llegó a la fractura de estas, debido a que la infraestructura del laboratorio no permitió que la máquina universal de ensayo traccionara más, alcanzado los límites impuestos por el techo, en todos los demás casos si se llegó a la fractura de las probetas. La máquina entrega para cada ensayo un gráfico de fuerzaelongación, además se observaba el valor máximo de fuerza alcanzada (P máx.). Finalmente se procedió a medir con el pide de metro las longitudes finales (Lf) medidas entre las marcas hechas, por lo que fue necesario juntar los tramos resultantes de la fractura, y los diámetros finales (øf). Señalar que en los casos donde no se llegó a la fractura, las elongaciones fueron muy grandes quedando fuera del rango del pie de metro, por lo que se utilizó una güincha de medir. Cabe recordar el tener cuidado durante el proceso de no borrar las marcas hechas.

4

4

5

Características técnicas 

Máquina universal de ensayos o Marca: Losenhausenwerk o Capacidad: 10 [tonelada fuerza] o Escala utilizada: 0-1000 [Kgf] o Resolución: 5 [Kgf]



Pie de metro o Marca: Mitutoyo o Origen: Japón o Rango: 0-300 [mm] o Resolución: 0,05 [mm]



Huincha de medir o Resolución: 1 [mm]

Presentación de datos Numeración de cada probeta y la velocidad de deformación a la cual fue sometida. Ensayo a velocidad relativa Ensayo a velocidad relativa baja, 50 [mm/min] alta, 200 [mm/min]

Material Robalón

1 2 3

Technyl Polipropileno

5 6 4

Tabla 1. Numeración de las probetas según material y a la velocidad de deformación que fue sometida.

N° 1 2 3 4 5 6

L0 [mm] 48,70 48,35 47,70 47,60 49,40 48,60

Ø0 [mm] 10,00 10,35 10,15 10,10 10,00 10,20

P máx. [Kgf] 225 615* 285 310 245 510

Lf [mm] 350 159,90 340 49,15 77,60 168,30

Øf [mm] 4,85 5,75 4,65 8,70 3,05 5,55

Tabla 2. Datos obtenidos en la experiencia. *este valor obtenido corresponde a la carga P alcanzada en la ruptura.

5

6

Resultados

2

Esfuerzo de proporcionalidad [kgf/mm ] Esfuerzo máximo [kgf/mm2] Esfuerzo de ruptura [kgf/mm2] Esfuerzo de ruptura real [kgf/mm2] Módulo de Young [kgf/mm2] Tenacidad [kgf mm]

Robalón (1) 2,33 2,86 1,52 6,48 11,81 40789

Technyl (2) 4,35 5,85 7,31 23,68 25,02 91396

Polipropileno (3) 2,67 3,52 2,05 9,79 12,74 54672

Tabla 3. Resultados de esfuerzos y tenacidad para probetas sometidas a velocidad baja. (Número de cada probeta de aquí en adelante)

2

Esfuerzo de proporcionalidad [kgf/mm ] Esfuerzo máximo [kgf/mm2] Esfuerzo de ruptura [kgf/mm2] Esfuerzo de ruptura real [kgf/mm2] Módulo de Young [kgf/mm2] Tenacidad [kgf mm]

Robalón (5) 2,96 3,12 1,44 15,47 14,64 6881

Technyl (6) 5,45 6,24 6,18 20,89 29,44 81336

Polipropileno (4) 3,32 3,87 3,53 4,75 16,81 4215

Tabla 4. Resultados de esfuerzos y tenacidad para probetas sometidas a velocidad alta.

7

Conclusiones Haciendo una observación de los resultados obtenidos, se distingue que el Technyl, fue el que presentó los valores de esfuerzos, módulo de Young y tenacidad más altos. En segundo orden se observa que el Polipropileno fue el material con resultados más altos y el Robalón fue el que mostró menores valores, a excepción de los casos de esfuerzo de ruptura real y de tenacidad cuando fueron sometidos a la velocidad de deformación relativa alta de 200[mm/min], donde sobrepaso al Polipropileno. En relación al esfuerzo máximo, decir que en el caso de la probeta número 2 (Technyl a velocidad relativa baja), la carga aplicada máxima fue superada posteriormente, y esta se manifestó cercana a la fractura de la probeta, como se mencionó en la tabla 2 en el apartado 5. Presentación de datos. Debido a esto el esfuerzo de ruptura para esta probeta fue mayor que el esfuerzo máximo. Además cabe recalcar, que el mayor esfuerzo fue en verdad, el esfuerzo de ruptura real, para todos los casos, lo cual concuerda con el hecho de la reducción de área transversal de las probetas, ya que una menor área para una misma carga, implica una mayor tensión.

6

Con relación al módulo de Young, decir que este indica que se obtendrán deformaciones unitarias menores, para un mismo valor de tensión, mientras más grande sea el módulo de Young, como se puede observar de la ecuación 1.

Además el módulo de Young se puede apreciar como la pendiente del gráfico tensión – deformación. En la experiencia se obtuvo el gráfico carga – elongación, donde la pendiente viene dada por el producto entre el módulo de Young y el área inicial, divido por la longitud inicial, como lo muestra la ecuación 2, esto se confirma gráficamente donde los materiales como el Technyl de mayor módulo de Young, presentan una mayor pendiente (ver gráfico carga – elongación en anexo).

En relación a la tenacidad, como primer hecho repetir que ni la probeta 1 como la 3 (Robalon y Polipropileno ambas a velocidad baja) alcanzaron el punto de fractura, por lo que sus valores calculados de tenacidad se encuentran por debajo de la realidad, ya que su deformación podía seguir continuando con lo que más energía hubiera sido absorbida por estos. Gracias al gráfico de carga – elongación y, a lo observado en el ensayo, se comprueba la gran zona plástica de estos polímeros, que debido a ella estos materiales presentan una gran tenacidad. En la experiencia se realizaron los ensayos a velocidad de deformación de 50 [mm/min] y a 200 [mm/min]. De los resultados se puede concluir que a mayor velocidad de deformación, la tenacidad disminuye, esto ocurrió en todos los casos. Esta diferencia es de magnitudes de 5,93 veces para el Robalon, de 12,97 para el Polipropileno y, de 1,12 para el Technyl, el cual en este aspecto sus propiedades no cambian de sobremanera, como los otros dos. En relación a esto, se observó en el ensayo que el Polipropileno al someterlo a la velocidad de deformación alta, se fracturó inmediatamente cuando se presentó la reducción de área, y es debido a esto la gran diferencia de energía absorbida, ya que la mayor parte de la energía que absorben los polímeros es en su zona plástica. En el caso del Robalon, este al someterse a la velocidad de deformación alta, presentó una gran reducción de área, con lo que llegó a un valor de esfuerzo de ruptura real por sobre a lo mostrado a baja velocidad de deformación, lo cual no ocurrió en el caso del Polipropileno. Por otra parte se encuentra el Technyl, el cual presentó propiedades similares en ambos casos, donde sus diferencias resultan ser 1,25 veces el límite de proporcionalidad, 1,18 veces el módulo de Young, 1,07 veces el esfuerzo máximo, pero a la vez 0,85 veces el esfuerzos de ruptura y 0,88 el de ruptura real en el caso de velocidad alta.

7

Los valores obtenidos confirman el porque se utiliza el Technyl en la fabricación de piezas de transmisión de movimiento, ya que presenta un alto módulo de Young y, propiedades que no varían en gran cantidad a pesar de ser sometido a mayores potencias. En definitiva se concluye que las propiedades mecánicas variaron al cambiar la velocidad de deformación, pero estas propiedades no siguieron un patrón, por lo que el conocer el comportamiento de un polímero no nos muestra la manera en la que otros se comportan, por lo que al elegir uno de estos materiales, se tienen que conocer exactamente las propiedades de ese polímero, ya que en la actualidad existe una gran variedad y muchos otros en desarrollo. Además de las propiedades mecánicas analizadas, decir que propiedades como la resistencia a la corrosión, a químicos, al calor, y si son reciclables son de considerable importancia a la hora del diseño.

8 8.1

Apéndice Teoría

Esfuerzos El esfuerzo es la relación entre la carga aplicada (P) y el área (A) de la sección transversal a la carga aplicada.

El esfuerzo de proporcionalidad σpp relaciona la carga de proporcionalidad Ppp con el área inicial A0.

El esfuerzo máximo σmáx es la relación entre la carga máxima Pmáx con el área inicial.

El esfuerzo de ruptura σrup es la carga de ruptura Prup sobre el área inicial y por último el esfuerzo de ruptura real σrr es la carga de ruptura dividida el área final reducida Ar , esto se debe a la estricción.

8

Deformación Está definida como la diferencia entre la longitud final de la probeta y la longitud inicial.

Deformación unitaria Es la relación entre la deformación y la longitud inicial.

Módulo de Young Este parámetro describe el comportamiento de un material en su zona elástica. Su valor viene definido por:

8.2

Valores calculados

N° 1 2 3 4 5 6

A0 78,54 84,13 80,91 80,12 78,54 81,71

P máx. [kgf] 225 492 285 310 245 510

Af 18,47 25,97 16,98 59,45 7,31 24,19

P rup [kgf] 119,68 615 166,22 282,57 113,03 505,30

P pp [kgf] 182,84 365,68 216,08 265,95 232,70 445,46

Tabla 5 Valores calculados, * en carga máxima solo se remplazó el valor 2 debido a que el valor máximo fue medido para la ruptura.

Área cuadrado

66,49 [kgf mm] Tabla 6. Área de un cuadrado del gráfico carga – elongación.

9