Lab.resist.p#3 - Impacto

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA” AREA DE TECNOLOGIA PROGRAMA: INGENIERIA INDUSTRIAL UNIDAD CURRICULAR: LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES FACILITADOR: ING. FRANKLIN MEDINA

FALLAS FRAGILES EN ELEMENTOS DUCTILES ENSAYO DE IMPACTO

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INTEGRANTES: CASTRO FRANCISCO MEDINA GABRIELA MORILLO MOISES QUERALES ELINNE RIVERO NEILA

MAYO, 2020 FALLAS FRÁGILES EN ELEMENTOS DUCTILES ENSAYO DE IMPACTO

AGENDA: 1.- Ensayo de Impacto OBJETIVOS: 1.- Conceptualizar -Material dúctil -Rigidez -Falla frágil -Falla -Ductilidad -Elasticidad -Plasticidad -Resiliencia -Concentrador de esfuerzos

-Material Frágil -Dureza -Falla dúctil -Rotura -Fragilidad -Tenacidad -Maleabilidad -Fragilidad

2.- Conocer los factores que favorecen las fallas frágiles en elementos dúctiles 2.1.- Bajas Temperaturas 2.2.- Velocidad de Aplicación de las Cargas 2.3.- Concentración de Esfuerzos 3.- Realizar Ensayo de Impacto. -Equipo. Describir. -Probetas -Herramientas -Materiales -Normas -Ecuaciones a utilizar -Procedimiento -Datos necesarios -Resultados del ensayo 4.- Analizar el Gráfico Energía consumida Versus Temperatura (Ec Vs T). 5.- Explicar la utilidad del ensayo.

OBJETIVOS:

1. Conceptualizar. Materiales Dúctiles  Se denomina material dúctil a aquel que al llegar a rotura ha sufrido deformaciones grandes. Esto en el cálculo de estructuras nos interesa porque nos avisa de que la estructura va a colapsar. El acero es un material dúctil.

Rigidez Es la capacidad de un objeto sólido o elemento estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos. Los coeficientes de rigidez son magnitudes físicas que cuantifican la rigidez de un elemento resistente bajo diversas configuraciones de carga. Normalmente las rigideces se calculan como la razón entre una fuerza aplicada y el desplazamiento obtenido por la aplicación de esa fuerza.

Falla frágil Cualquier situación que impida que el elemento cumpla su función de transmisión de esfuerzos o de retención de presión como se encuentra previsto en el diseño del elemento es decir la falla se produce cuando el elemento se torna incapaz de resistir los esfuerzos previstos en el diseño. Esto se relaciona mucho con la fragilidad del material, ya que al ser frágil por consecuencia es más propenso a sufrir fallas.

Falla Se considera que el material de un componente ha fallado cuando este se encuentra en una condición bajo la cual no puede cumplir con la función para la cual fue diseñado. Ductilidad Es la propiedad que presentan algunos metales y aleaciones cuando, bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos. A los metales que presentan esta propiedad se les denomina dúctiles.

Elasticidad Propiedad en virtud de la cual un cuerpo se deforma de manera proporcional a la carga aplicada y recupera su forma original una vez ha cesado la acción de la carga. Un cuerpo se denomina perfectamente elástico si no experimenta deformaciones permanentes, es decir, siempre recupera su figura inicial.

Plasticidad Por el contrario de la elasticidad, un cuerpo se dice que es perfectamente plástico si sufre deformaciones permanentes, de modo que mantiene a lo largo del tiempo la nueva configuración adquirida. Cuando esto ocurre las deformaciones dejan de ser proporcionales a los esfuerzos y por tanto la ley de Hooke no cumple como modelo explicativo para estos casos. En realidad, la elasticidad y la plasticidad coexisten, ya que todos los materiales se caracterizan por un comportamiento elástico, hasta cierto punto, denominado límite elástico (esfuerzo máximo al que puede someterse un material sin que se produzcan deformaciones permanentes), y luego se comportan de forma plástica durante un intervalo determinado hasta la rotura.

Resiliencia La resiliencia es la propiedad de un material que permite que recupere su forma o posición original después de ser sometido a una fuerza de doblado, estiramiento o compresión. Lógicamente esto debe darse antes de que comience su deformación plástica (deformación permanente o irreversible), ya que en caso contrario no volvería a su forma original. Un material muy conocido por tener una gran resiliencia es la goma.

Concentrador o concentración de esfuerzos El esfuerzo presente en una placa con geometría constante sometida a tensión puede determinarse con relativa facilidad mediante diversos métodos, ya sean, teóricos o experimentales. Sin embargo, cuando la placa en cuestión presenta cambios en su geometría el cálculo del esfuerzo se complica considerablemente. Estos cambios en la geometría del elemento se conocen como concentradores de esfuerzo, y pueden ser cambios en el ancho o en el espesor dela placa, barrenos o agujeros colocados en diversas posiciones o arreglos geométricos, cuñeros o cualquier otra característica física similar. Materiales frágiles Se denomina material frágil a aquel que llega a la rotura sin mucha deformación. En estructuras, un material frágil no es deseable, ya que tiene roturas sin previo aviso, colapsan de forma inmediata y no da tiempo a reaccionar. La rotura de una probeta de hormigón por fallo del hormigón da lugar a roturas frágil. Los materiales frágiles no exhiben un punto claro de fluencia, por lo que el limite elástico tiene que definirse como la intersección de la curva esfuerzo-deformación, con una línea convencional paralela a la curva elástica, y desplazada un pequeño porcentaje, como por ejemplo 0.2%, a lo largo del eje de deformaciones. Algunos materiales frágiles, como el hierro fundido, no tienen región elástica lineal y la línea convencional se toma en dirección a la pendiente promedio de la región. Dureza Se entiende por dureza de un material a la resistencia que opone el material a su deformación plástica permanente superficial por rayado o penetración. Siempre se cumple que la dureza de una material resulta inversamente proporcional a la huella que queda en su superficie al aplicarle una fuerza. En este sentido, se puede definir también a la dureza de un material como aquella propiedad de la capa superficial del material de poder resistir toda deformación elástica, plástica o destrucción debido a la acción de esfuerzos de contacto locales originados por otro cuerpo.

Falla dúctil Aquella que ocurre después de que un material es sometido a una deformación plástica excesiva, esto quiere decir que este tipo de fractura aparece en aquellos materiales que tienen una zona de deformación plástica considerable. Entre las características de esta falla están: Formación de cuello de botella en el área fracturada, deformación plástica permanente, elongación del material y reducción del área universal. Rotura Fenómeno por el cual, en determinadas condiciones de solicitación, una pieza mecánica se fracciona en varias partes. La rotura puede producirse por arranque o por fatiga. El primer caso tiene lugar cuando se somete la pieza a una solicitación mayor que la máxima que puede soportar; en el segundo caso, la rotura es provocada por la unión de los efectos que las solicitaciones repetidas producen en la pieza hasta rebasar su resistencia. La resistencia de un material a la rotura se denomina resiliencia. Fragilidad Fragilidad mecánica es la facultad que tiene un material para fracturarse. Esta capacidad tiene que ver con las cualidades del material para deformarse. Mientras más baja sea su cualidad de deformación, mayor será su fragilidad.

La velocidad con la que un material genera y propaga grietas también es un indicativo de fragilidad. A mayor velocidad, mayor fragilidad. Es el caso de los vidrios comunes y la cerámica.

Tenacidad Es la energía de deformación total que puede absorber o acumular un material antes de alcanzar la rotura en condiciones de impacto o también como la capacidad de absorber energía plástica antes de fracturarse. En el caso de impacto se mide mediante el péndulo de Charpy; mediante una masa con una energía conocida se golpea una probeta de un material. Mediante la altura que alcanza el péndulo se conoce su energía y la diferencia entre la energía inicial y la final es la energía absorbida por el material.

Maleabilidad Aquel material que, aun siendo duros, pueden deformarse mediante descompresión sin sufrir fracturas, es decir, pueden alterar significativamente su longitud y su forma. A diferencia de los materiales dúctiles, de los cuales puede obtenerse hilos mediante la aplicación de una fuerza, la maleabilidad permite hacer capas delgadas del material en cuestión, denominadas láminas. Este proceso se

denomina laminación y puede hacerse por martillado, presión continua u otros mecanismos.

2. Conocer los factores que favorecen las fallas frágiles en elementos dúctiles A través de ejemplos mencionaremos y analizaremos los criterios deseados: 2.1.- Bajas Temperaturas A medida que el acero se prueba a temperaturas más bajas, se puede observar un cambio en el comportamiento de falla, este cambio es abrupto en un rango de temperaturas muy estrecho, a dicho rango se le conoce como la temperatura de transición, y es aquí donde la falla pasa de ser una falla dúctil a ser una fractura frágil. Este fenómeno es de suma importancia para el diseñador, ya que no basta con diseñar para una falla dúctil, si no que se debe tomar en cuenta las condiciones climáticas bajo las que trabajara la estructura. Esto quiere decir que el acero se comportara de manera dúctil en el verano, pero perderá mucho de su tenacidad o capacidad para absorber energía mediante la deformación en el invierno, todo depende de que tanto baje la temperatura. La temperatura de transición cobra mucha importancia cuando algún elemento de acero debe ser diseñado para resistir esfuerzos bajo condiciones de impacto, generalmente la temperatura de transición se obtiene mediante pruebas de impacto, sometiendo a las probetas a diferentes condiciones de temperatura antes de ensayarlas. Las pruebas de

tensión resultan muy lentas y no permiten apreciar fácilmente la temperatura de transición. 2.2.- Velocidad de Aplicación de las Cargas Influencia de la velocidad del impacto Para este estudio se usan 3 probetas de Nylon y 3 probetas de PVC a las cuales se les realizan los ensayos bajo diferentes angulos de carga. El objetivo de este apartado es evaluar la resistencia que ofrecen los materiales cuando se aumenta la velocidad a la cual ocurre el impacto Es conocido que cualquier proceso de fractura consta de dos estados: la formacion y la propagacion de una grieta, para lo cual se requiere una determinada absorcion de energıa A su vez, el modo de fractura depende en gran medida del mecanismo de propagacion de esa grieta. En el caso de las probetas de nylon se les han realizado entallas de igual radio, con el objetivo de simular la evolucion de la rotura parcial del material. En la Fig. 3a se observa que el tamano de la grieta producida tras el impacto es cada vez mayor a medida que la velocidad de aplicacion de la carga aumenta. Esto se puede explicar si tenemos en cuenta que a medida que aumentamos el angulo desde el cual se realiza el ensayo, la energia transmitida durante el impacto es mayor, por lo cual la probeta puede absorber mayor energia, la cual se emplea en la propagacion de la grieta.

De la Fig. 3b se puede observar que aunque la energia suministrada en los tres casos no es suficiente para producir la fractura de ninguna de las probetas de PVC sin entallas, todas presentan un comportamiento ductil y se deforman. La mayor deformacion se corresponde con el ensayo que ha sido realizado desde el angulo mayor ( α = 139º). Como comentamos en el parrafo anterior, al aumentar la energıa transmitida en el impacto, la probeta puede absorber mayor energia, lo cual provoca, en este caso, que el grado de deformacion del material sea mayor. Este resultado demuestra que independientemente de cual sea el mecanismo que propicia la deformacion de la probeta, el comportamiento ductil se caracteriza por una absorcion de energia que posibilita que el material experimente una deformacion plastica. En la Fig. 3b tambien se puede apreciar que la zona blanquecina que aparece en las probetas de PVC aumenta de tamano, con el aumento del angulo de carga como consecuencia de la mayor tension recibida en el impacto.

2.3.- Concentración de esfuerzos Las entallas provocadas por un mecanizado, fabricación o diseño deficientes, ocasionan una concentración de esfuerzos en zonas localizadas de los materiales. Por otra parte, la fractura comienza en los sitios donde la concentración de tensiones es mayor. Es por ello que las entallas o grietas presentes en un material conllevan un aumento en fragilidad. La intensidad del esfuerzo en el extremo de una grieta depende tanto de las tensiones aplicadas como de la geometría y dimensiones de dicha grieta. La distribución de esfuerzos en el entorno de una entalla aumenta a medida que nos acercamos al extremo de la misma, y, por otra parte, la mayor concentración de esfuerzos está localizada en el extremo de las entallas más aguzadas (las que tienen un radio menor).

3. Realización de el ensayo de impacto 3.1.- Equipo descripción El Equipo de Ensayo de Impacto Charpy e Izod “EEICI” se compone de un péndulo que está soportado por rodamientos con un brazo de 330 mm de longitud y un sistema de sujeción en la posición de partida del ensayo. En uno de sus extremos se puede atornillar el martillo correspondiente a cada ensayo, ya sea Charpy o Izod. El martillo Charpy tiene forma de “C” y se utiliza para ensayos de impacto sobre probetas apoyadas en ambos extremos horizontalmente, y el martillo Izod se utiliza para golpear sobre probetas empotradas verticalmente. El equipo dispone de mordazas para cada martillo, constituidas por dos soportes emplazados en el centro de la base para colocar la probeta, apoyada en sus dos extremos en el caso de la mordaza Charpy y empotrada y vertical en el caso de la mordaza Izod. A través de un disco graduado, sobre el que se desplaza una aguja, se indicará la energía utilizada para la rotura de la probeta. 3.2.-Probetas Las probetas de ensayo disponen de entalla para facilitar su ruptura -Método Charpy: Norma E23 - Método Izod: Norma E23 Las probetas para este tipo de ensayos dependen exclusivamente del tipo de material y los factores como son peso y diseño del martillo, en esta norma dependiendo de los ensayos son las siguientes figuras: Probetas para ensayos tipo Charpy NORMA E23

Probetas Tipo IZOD Norma E23

3.3.-

Herramientas Vernier Transportador Instrumentos para dibujo Tecnico (Lapiz, borrador, hoja rotulada) Máquina de ensayo de Resilencia con Accesorios Para tipo "Charpy" e "Izod". Cinta Metrica Pinzas Mecanicas o retenedores(parrilleros) Mechero guantes quirúrgicos Gntes de carnaza o punto pcv. Lentes de seguridad 3.4.-Materiales Péndulo ensayo de impacto Martillo (Hammer Nº4 masa = 13.333 Lb) Galga para centrar probeta Material base de Probeta diferentes materiales (aluminio, acero, etc) 3.5.-Normas Norma E23-07a Esta norma que es exclusiva para la evaluación de ensayos de impacto Charpy e Izod posee diferentes estatutos, como son las características de la máquina de ensayos y la elaboración de las probetas. Sin embargo evalúa también las unidades que se debe utilizar y demás requerimientos para su evaluación. La normativa ASTM E23 describe las pruebas de impacto de probetas metálicas entalladas. La norma hace referencia tanto a Charpy como a Izod y describe los métodos de ensayo para medir la energía absorbida por el espécimen roto. Aquí vamos a ver ensayos Charpy en muestras de tamaño pequeño. Un ensayo Charpy requiere que la muestra de metal entallada esté soportada por ambos extremos (de manera horizontal) y se rompa por el impacto del martillo en la parte contraria a la entalla. El diagrama (abajo a la derecha) la colocación de la muestra para el ensayo Charpy.

Para este ensayo hemos elegido un péndulo de la serie SI Pendulum Tester de impacto diseñado para ensayos Charpy. Debido a las limitaciones del material, no hemos podido utilizar una muestra de tamaño estándar de Charpy, así que nos hemos referido al anexo A3 de ASTM E23 para poner a prueba una muestra de tamaño más pequeño. Para acomodar la pieza más pequeña Charpy hemos utilizado diferentes soportes. Podemos suministrar bloques de soporte para dar cabida a los siguientes tamaños de muestras: 2,5 mm x 10 mm (número W-3594), 5 mm x 10 mm (número W3595), y 7,5 mm x 10 mm (número W-3596). Soportes para espesores especiales también pueden ser fabricados. Con la muestra apoyada en su lugar, cargamos la muestra Charpy más pequeño y liberamos el martillo para producir el impacto. Durante el ensayo, se captura la energía absorbida durante la prueba mediante la lectura del panel analógico. Como alternativa, la serie SI se puede equipar con una unidad de adquisición de datos. Recomendamos que revise la norma ASTM E23 para entender completamente sus necesidades. Las instrucciones para probar pequeñas muestras Charpy se pueden encontrar en el anexo A3 de ASTM E23. 3.6.-Ecuaciones E= W*R*(1-cosø)-hf W = 18.75 kgf θ =160 º para ensayo Charpy θ = 89º para ensayo Izod R = 825 mm Hf = Energía W = F*D W= trabajo ( Newton por metro o libra por pie) F= fuerza (Newton o libras) D=distancia (metros o pies). E = w*H E= energía absorbida ( Newton por metro o libra por pies) w= peso de el objeto (Newton o libras) H= altura desde la que se deja caer el objeto (metros o pies) 3.7.-Procedimiento 1. Conectar y encender el equipo por la parte posterior, seleccionar en el modo las condiciones requeridas; masa del martillo (Hammer Nº4 masa =

13.333 Lb), unidades de la energía (Joules). Usted observará el siguiente screen.

2. Subir el martillo a la posición más elevada con la palanca en posición Enlanche (Enlanchada). Presionar el Botón compensar y usted verá que comenzará a parpadear (listo para medir).

3. Llevar la palanca hasta el tope central Release (Soltar). Tenga precaución de realizar esta paso detrás de la línea amarilla del equipo y en frente de la máquina. De esta manera se realiza una prueba en vació sobre el equipo.

4. El péndulo descenderá y sólo cuando en la pantalla registre el valor de la energía perdida o compensate, podrá retirar el pin de la posición release y llevar la palanca hasta la posición de Brake (freno). Anote dicho valor.

5. Cuando el martillo esté totalmente estático, retorne la palanca a la posición de enlanche o inicial, de esta manera se desactivará el freno, al igual inserte el pin en el agujero dispuesto para este. 6. Asegure el martillo en una posición baja por seguridad y con el pasador en aluminio, como se indica en la figura y posteriormente ubique la probeta

con la ranura adecuada y utilizando la galga para dicho centraje en los apoyos de la máquina.

7. Repita los pasos 2, 3 y 4, sólo que esta vez lo hará presionando el botón Test en la unidad de control. Registre el valor de la energía Total obtenida. 8. Es necesario que utilice varias probetas para este ensayo de manera que al final pueda determinar el promedio del material que está ensayando. No olvide registrar el compensate en cada prueba pues este varía de en relación a las pérdidas por fricción, para lo cual repita los pasos 2 al 7. Entre ensayo y ensayo. 3.8.-Datos necesarios Observar el tipo de fractura. Si la superficie de la fractura es suave y lisa, indica que el material es dúctil, y si es de aspecto basto y de grano grueso indica que es frágil. Si se presentan las dos zonas, una suave y lisa, y otra de grano grueso, el material está dentro del rango de la temperatura de transición. 3.9.Resultados