Ensayos Mecanicos Dinamicos 1

ESCUELA: Universidad Tecnológica de León ÁREA: Electromecánica Industrial GRUPO: IMI-802 EQUIPO: 3 TEMAS: Ensayos mecánicos dinámicos FECHA: 22/01/2014

ENSAYOS MECÁNICOS DINÁMICOS Los ensayos mecánicos de materiales, nos permiten conocer sus propiedades mecánicas

Ensayo de cizalladura Este ensayo determina el comportamiento del material sometido a un esfuerzo cortante

Procedimiento  Aplicar esfuerzo cada vez mayor  Velocidad controlada  Plano de cizalladura según el aparato

Fuerzas de cizalla o cortadura

Modulo de cizallamiento Se define como la relación del esfuerzo cortante a la deformación por esfuerzo cortante

Ensayo de pandeo Analiza un material esbelto al que se somete a un esfuerzo de compresión progresivamente creciente, hasta conseguir su flexión lateral o pandeo.

OBJETIVO. El objeto del ensayo de pandeo es investigar el comportamiento de elementos largos (esbeltos) sometidos a cargas de compresión axial, es decir, que no fallan por aplastamiento.

Los ejemplos incluyen: Columnas en edificios, eslabones estructurales a la compresión (como en puentes y tornillos de gatos.

1.- Husillo 2.-Marca de carga de altura variable 3.-Reloj de comparación para el desplazamiento lateral de la barra de prueba 4.-Cilindro hidráulico 5.-Bastidor 6.-Dinamómetro 7.-Dispositivo para generar una carga transversal 8.-Barra de prueba

Modelo de los distintos tipos de pandeo de Euler. Como se puede ver, según las coacciones externas de la viga, la deformación debida al pandeo será distinta.

Elementos que fallaron por Pandeo.

La falla por pandeo se produce de forma instantánea, produciendo un sonido estridente debido a la brusca liberación de energía.

En las condiciones pueden existir una o más de las siguientes causas que determina el pandeo, como por ejemplo:

•Irregularidades en la forma. •Irregularidades en la estructura. •Excentricidad de la carga respecto al centroide geométrico. •Pequeña flexión del eje.

Se tiene que utilizar en una máquina una pieza circular de acero AISI 1020 estirado en frio con ambos extremos de pasador. Su diámetro es de 25 mm y su longitud de 950 mm, ¿Qué carga máxima puede soportar la pieza antes de pandearse ?

Objetivo: calcular la carga de pandeo critica para la columna. Datos: L=950mm. La sección transversal es circular, D=25mm. Extremos de pasador, K=1.0, La columna de acero: AISI 1020 estirado en frio. En el apéndice: Sy= 441 Mpa = 441𝑥 106 𝑁/𝑚2 E= 207 Gpa= 207x109 N/𝑚2 Usar el método de análisis de columnas.

Paso 1. Determine el factor de fijación de los extremos para columna con extremos al pasador, K=1.0. Paso 2. Calcule la longitud efectiva. Le=KL=(1.0)(950mm)=950mm Paso 3. Calcule el valor mínimo del radio giro en el apendice, para cualquier eje de una sección circular, r=D/4. entonces, 𝐷

r= 4 =

25𝑚𝑚 4

= 6.25𝑚𝑚

Paso 4. Calcule la relación de esbeltez, SR=Le/r 𝐿𝑒 950𝑚𝑚 SR= = =152 𝑟 6.25𝑚𝑚

Paso 5. Calcule la constante de columna, 𝐶𝑐 . 𝐶𝑐 =

2π𝐸 = 𝑆𝑦

2π(207𝑥109 𝑁/𝑚2) =96.3 441𝑥 106 𝑁/𝑚2

Paso 6. Compare 𝐶𝑐 con SR y decida si la columna es larga o corta. Luego utilice la formula apropiada para calcular la carga de pandeo critica. Como SR es mayor que 𝐶𝑐 ,la columna es larga y se aplica la formula de Euler. P𝑐𝑟 =

π2 𝐸𝐴 (𝑆𝑅)2

El área de la sección cuadrada es: π𝐷2 π(25𝑚𝑚)2 A= = 4 4

=491𝑚𝑚2

Entonces: P𝑐𝑟 =

π2 (207𝑥109 𝑁/𝑚2) (491𝑚𝑚2 ) 1𝑚2 x 3 (152)2 (10 𝑚𝑚)2

= 43.4 𝑘𝑁

Esta es la carga critica con la que se espera que la columna se pandee.

Ensayos mecánicos dinámicos: Flexión  En ingeniería se denomina flexión al tipo de

deformación que presenta un elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal.(eje del mayor momento de inercia.)

Ensayos mecánicos dinámicos: Flexión

Se realiza sobre probetas rectangulares fijas en un extremo y móviles en el otro.

Ensayos mecánicos dinámicos: Flexión

El extremo móvil se somete a una fuerza F perpendicular el eje de forma alternativa, hasta que soporta un número de ciclos determinado o aparecen las primeras grietas.

Ensayos mecánicos dinámicos: Flexión  Para ensayos más precisos la aplicación de la carga se

hace por intermedio de dos fuerzas con lo que se logra “flexión pura”. El momento flector máximo en la viga es igual:  Mfmax = P . ( L – d ) / 4 Siendo P la carga total, L la distancia entre apoyos y d la separación entre las carga

Ensayos mecánicos dinámicos: Flexión  Si el modulo resistente Wz es:

Wz = π . d³ /32 

resistencia estática o modulo de rotura de la flexión

TORSIÓN  Carga de un miembro que tiende hacerlo girar o

torcerlo.  Par de torsión  Momento torsional

Cuando se aplica un par de torsión a un miembro se desarrolla:  Esfuerzo cortante interno

 Deformación torsional

 Ángulo de torsión

EJEMPLO

 Un material sometido a un par de torsión es bastante

rígido a la torsión con respecto al peso o resistencia general del material.

Par de torsión  Se requiere una forma de medir el par de torsión

aplicado y la deformación torsional (ángulo de torsión).  El par de torsión aplicado simplemente se calcula con la definición básica de par de torsión:  T = Fr  T= Par de torsión aplicado  F = Fuerza aplicada en el extremo del bazo  r = Distancia perpendicular desde la línea de acción de

la fuerza hasta el centro del elemento.

 EJEMPLO:

 Para la llave de la figura,

calcule la magnitud del par de torsión aplicado al perno si se ejerce una fuerza de 50 N en un punto a 250 mm del eje de la caja.  OBJETIVO: CALCULAR EL

PAR DE TORSIÓN EN LA LLAVE

 DATOS:

F = 50N d = 250 mm= longitud del brazo de palanca FÓRMULA: T=Fxd OPERACIONES: Par de torsión = T = (50N)(250 mm) x 1 m /1000mm RESULTADO: La llave aplica un par de torsión de 12.5 Nm al perno. N/m = J; Por lo tanto el resultado es 12.5 J

UNIDADES EN EL SI Y EN EL SISTEMA MÉTRICO I. SI SISTEMA MÉTRICO  T = N.m  P = energía/tiempo =

joule/segundo = J/s / Nm/s =watt = W

 T = par de torsión (lb.in)

 n = velocidad de rotación

(RPM)  P = potencia (hp)

 Nota: 1 hp = 6600lb.in/s; las  n = 1750 rev /min x 2𝜋 𝑟𝑎𝑑 /

𝑟𝑒𝑣 x 1min/60 s = 183 rad/s  *Cuando se utiliza n en rad/s, los rad no se considera como unidad.

conversiones requeridas para que las unidades sean compatibles son:

0

EJEMPLO  Calcule la potencia, en hp, transmitida por una flecha si

desarrolla un par de torsión de 15000 lb.in y gira a 525 rpm.  *Se utilizará la ecuación directa porque T y n están en las

unidades apropiadas de lb.in y rpm. La potencia estará en hp.  p = Tn / 63000  p = (15000)(525)/63000  P = 125 hp.

¿Y EL OBJETIVO?  Garantizar que el miembro sea seguro para la carga

torsional aplicada y suficientemente rígido para que funcione apropiadamente en servicio.

Fatiga

 Un ensayo destructivo es aquel que deteriora la pieza,

desde una leve marca, a una deformación permanente o incluso su rotura parcial o total

 Cuando cualquier material esta sometido a esfuerzos

cíclicos de tensión y compresión que terminan en una fractura o rotura completa del material.

El proceso de fatiga consiste en tres etapas (estadios):  La iniciación. Las grietas pueden iniciarse en defectos o

inclusiones en el material, o sea, en puntos de concentración de tensiones o puntos de variación de la geometría de la estructura.  En la segunda etapa, las grietas generalmente se propagan

perpendicularmente a la dirección de las tensiones principales.  El último estadio del proceso de fatiga se caracteriza por la

propagación de la grieta de modo inestable, resultando el defecto mecánico.

a

c

a)

b)

b

c)

Fotografía de un resorte de a válvula de estrangulación de un avión que se rompe por fatiga después de 274h de servicio. La aleación es de acero inoxidable Micrografía óptica del origen de la fractura (flecha) y la región lisa adyacente que contiene un patrón de líneas concéntricas como un registro del crecimiento cíclico de la grieta. La región granular identifica la propagación rápida de la grieta a momento de la falla. Micrografía de exploración electrónica, que muestra un acercamiento de origen de la fractura (flecha) y el patrón adyacente en forma de concha de almeja

 Las vibraciones mecánicas en los conductores cableados de las líneas

de transmisión de energía eléctrica ocasionan en los alambres de los conductores y en los elementos de suspensión efectos de fatiga que pueden limitar su vida útil.  Los ensayos de fatiga de conductores tienen por objeto determinar la

cantidad de ciclos de flexión alternada que ocasiona un deterioro.

 En general los ensayos de fatiga se clasifican por el espectro

de carga- tiempo, pudiendo presentarse como:  - Ensayos de fatiga de amplitud constante.  - Ensayos de fatiga de amplitud variable.

odemos decir que las deformaciones de fatiga se engendran preferentemente en granos próximos a la superficie del metal, separados tan solo por algunos espacios atómicos, produciendo los efectos conocidos como extrusión e intrusión. Prueba de fatiga

 El inicio de la rotura por fatiga puede producirse, además que por los hechos

explicados, por deficiencias en el material debidas a defectos estructurales, por discontinuidades de las superficies que provocan el efecto de forma (orificios, roscas, chaveteros, cambios de sección, maquinados incorrectos, etc.) y por el tratamiento o estado de las superficies.

Curva de fatiga típica.

La resistencia a la fatiga se incrementa por la deformación mecánica previa o la reducción de discontinuidades estructurales.

Bibliografía Smith, Williams y Hashemi, Javad. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. México: Mc Graw Hill James F. Shackelford Ciencia de materiales para ingenieros (tercera edición) Prentice Hall