informe

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANAFACULTAD DE INGENIERÍAS

ESCUELA DE MECÁNICALABORATORIO DE RESISTENCIA DE

MATERIALES

ÍNDICE

Introducción...........................................................................................................................2

Objetivo General....................................................................................................................2

Objetivos Específicos.............................................................................................................2

Marco Teórico........................................................................................................................3

Instrumentación......................................................................................................................8

Materiales a Utilizar...............................................................................................................8

Procedimiento........................................................................................................................8

Conclusiones y Recomendaciones.......................................................................................13

Anexos..................................................................................................................................14

Bibliografía..........................................................................................................................16

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MATERIALES

INTRODUCCIÓN

Esta segunda intervención en los laboratorios de resistencia de materiales de la UPS, se

realizará un ensayo charpy, el cual consiste en obtener datos sobre la absorción de

energía de dos materiales (aluminio y acero), los cuales serán sometidos a un impacto

del péndulo charpy, hasta el momento de su ruptura, determinaremos características

como la resiliencia, áreas, pero el fin es observar qué material es más tenaz que otro.

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MATERIALES

OBJETIVO GENERAL

Realizar un ensayo charpy, de dos materiales aluminio y acero, los cuales serán

sometidos a un impacto, que les proporcionará energía hasta su punto de ruptura, para así

obtener datos sobre su tenacidad y resiliencia.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

Obtener energía absorbida, para así lograr la resiliencia del material.

Calcular para 5 probetas y obtener un promedio de resiliencia.

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MATERIALES

MARCO TEÓRICO

Péndulo de Charpy

El péndulo ideado por Georges Charpy se utiliza en

ensayos para determinar la tenacidad de un material.

Son ensayos de impacto de una probeta entallada y

ensayada a flexión en 3 puntos. El péndulo cae sobre

el dorso de la probeta y la parte. La diferencia entre

la altura inicial del péndulo (h) y la final tras el

impacto (h') permite medir la energía absorbida en el

proceso de fracturar la probeta. En estricto rigor se

mide la energía absorbida en el área debajo de la

curva de carga, desplazamiento que se conoce como

resiliencia.

La energía absorbida en el impacto por la probeta usualmente se calcula como la

diferencia de alturas inicial y final del péndulo, esto supone, obviamente despreciar

algunas pérdidas por rozamiento). La fórmula de cálculo para la energía de impacto:

τ=P (h−h ´ )g=Pl(cos (β )−cos (α ))g

Donde:

τ es la energía empleada en la rotura en Joules

P es la masa del péndulo en Kg

g es la gravedad (9,8 m/s²)

h es la altura inicial del péndulo

h' es la altura final del péndulo

l es la longitud del péndulo en metros

α y β son los ángulos que forma el péndulo con la vertical antes y después de soltarlo,

respectivamente.

Resiliencia (área de verde)

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fig 1. UPS CHARPY 1



MATERIALES

Este concepto se refiere a la capacidad que los

materiales tienen de acumular energía elástica antes

de volverse viscosos o entrar en régimen de fluencia

UT=WV

En términos simples es la capacidad de memoria de un material para recuperarse de una

deformación, producto de un esfuerzo externo. El ensayo de resiliencia se realiza

mediante el Péndulo de Charpy, también llamado prueba Charpy.

Relación entre resiliencia y tenacidad

Relación entre el esfuerzo y la deformación. La resiliencia es el área bajo la curva en la

zona verde.

Se diferencia de la tenacidad en que ésta cuantifica la cantidad de energía almacenada

por el material antes de romperse, mientas que la resiliencia tan sólo da cuenta de la

energía almacenada durante la deformación elástica. La relación entre resiliencia y

tenacidad es generalmente monótona creciente, es decir, cuando un material presenta

mayor resiliencia que otro, generalmente presenta mayor tenacidad. Sin embargo, dicha

relación no es lineal.

La tenacidad corresponde al área bajo la curva de un ensayo de tracción entre la

deformación nula y la deformación correspondiente al límite de rotura (resistencia última

a la tracción).

La resiliencia es la capacidad de almacenar energía en el periodo elástico, y corresponde

al área bajo la curva del ensayo de tracción entre la deformación nula y el límite de

fluencia.

Fractura y tenacidad

Tenacidad es la capacidad de los materiales para absorber energía antes de romper.

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fig2. fuente wikipedia 1



MATERIALES

- Materiales tenaces: Se deforman plásticamente (la mayoría de los metales).

- Materiales frágiles: Sin o casi sin deformación plástica (cerámicas, vidrio).

Fractura es una rama de la mecánica de sólidos deformables ocupada del estudio de la

estabilidad estructural de materiales, considerando la formación y propagación de grietas

o defectos en materiales y analizando condiciones tensionales con la concentración de

tensiones debida a dichos defectos.

Relación energética de Griffith

Se puede observar cómo las líneas se juntan en los vértices de la grieta, donde hay

concentración de tensiones.

La Mecánica de la Fractura empezó a desarrollarse durante la Primera Guerra Mundial

por el ingeniero aeronáutico inglés Alan Arnold Griffith para explicar el fallo de

materiales frágiles.1 El trabajo de Griffith's estaba motivado por dos hechos

aparentemente contradictorios:

Era necesaria una teoría que reconciliara estos dos hechos contradictorios. Además los

experimentos en fibras de vidrio, que el mismo Griffith realizó, demostraron que la

tensión de rotura aumentaba cuando el diámetro de la fibra era menor. Por lo tanto la

resistencia a tensión uniaxial, que se había usado extensamente para predecir la rotura

del material, no podía ser una propiedad independiente del material. Griffith sugirió que

la baja resistencia a la fractura observada en los experimentos, al igual que la

dependiente del tamaño, era debida a la presencia de pequeñas roturas microscópicas en

la masa del material.

Medición de la resiliencia de un material

La cuantificación de la resiliencia de un material se determina mediante ensayo por el

método Izod o el péndulo de Charpy, resultando un valor indicativo de la fragilidad o la

resistencia a los choques del material ensayado. Un elevado grado de resiliencia es

característico de los aceros austeníticos, aceros con alto contenido de austenita. En

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MATERIALES

aceros al carbono, los aceros suaves (con menor contenido porcentual de carbono),

tienen una mayor resiliencia que los aceros duros.

Para un material elástico lineal, la resiliencia puede ser calculada por medio de la

ecuación:

UT=12∂y ε

Donde ∂ y es la tensión de fluencia o límite elástico y ε es la deformación

correspondiente a dicho límite elástico. O en términos de la energía absorbida en el

impacto y la sección de rotura o final como:

UT=Ea

ST

Donde Ea representa la energía absorbida en el impacto, que resulta ser la misma que la

energía potencial que pierde el péndulo, en un ensayo con el péndulo de Charpy, y que

puede ser calculada, por tanto, conociendo la diferencia entre la altura inicial de caída del

péndulo y la altura que alcanza el péndulo posteriormente al impacto.

INSTRUMENTACIÓN.

Calibrador Pie de Rey.

Péndulo de Charpy.

Cámara fotográfica.

MATERIALES A UTILIZAR

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MATERIALES

5 probetas de aluminio, sección recta

5 probetas de acero dulce, sección recta.

Mandil gris.

ESQUEMA PROBETA

El corte que tiene en el centro de la probeta se puede hace con sierra.

Realizar la probeta con las medidas especificadas para que entre en la

máquina de ensayos

PROCEDIMIENTO

La máquina de ensayo tiene una construcción rígida y estable, de forma, de que las

pérdidas de energía (debido a traslación, rotación o vibración) en el armazón de la

maquina, durante el ensayo, son despreciables.

Maquina de ensayo, TIPO MAGLIO CHARPY Nº 203

Distancia al centro de golpe 823 mm

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MATERIALES

Angulo máximo de rotación 159.20 grados

Oscilación completa 1º33.6

Altura total de caída 1595 mm

Trabajo total de choque 15.47 Kgf.m

El plano de oscilación del martillo debe ser vertical.

El centro de percusión debe estar en el centro de impacto del martillo

La máquina de ensayo deberá estar provista de un instrumento que permita

lecturas con aproximación de +- 0.5 % de la capacidad máxima de impacto

CONDICIONES DE ENSAYO

Los ensayos deberán realizarse a temperatura ambiente. La muestra debe alcanzar el

equilibrio térmico en toda su masa.

La velocidad de impacto no deberá variar, a los efectos comparativos, de los valores

normalizados.

Los valores de la velocidad, energía de impacto, temperatura de ensayo y tipo de

probeta deberán consignarse al comienzo del informe sobre la experiencia realizada.

El valor de la energía absorbida resultará de la resta del máximo valor en

“Kgm” que indique la máquina en la prueba en vacío menos el valor que

indique en “Kgm” cuando se haga la prueba con la probeta y resultará

siempredelpromediodetresdeterminacionescomomínimo.

PARA EL ENSAYO EN VACÍO

1. Mover el indicador de la escala graduada “Kgm” a cero.

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MATERIALES

2. Proceder a inspeccionar el funcionamiento de la máquina haciendo pruebas en

vacío (sin probeta) verificando el funcionamiento del sistema de frenado del

péndulo.

3. Levantar el péndulo hasta la altura en la cual llega al seguro (1595 mm).

4. Poner el seguro en el brazo del martillo.

5. Accionar el freno de la maquina (por seguridad).

6. Ubicarse frente a la escala graduada.

7. Mover el indicador a una medida que se la pueda leer fácilmente, (cero o uno) en

la escala “Kgm”.

8. Quitar el freno

9. Ubicarse frente al seguro.

10. Quitar el seguro del brazo del martillo.

11. Accionar el freno y frenar el martillo.

12. Observar la medida indicada en la escala graduada “Kgm” y anote en su hoja

guía de laboratorio para saber cuál es la medida de referencia.

PARA EL ENSAYO UTILIZANDO LA PROBETA

1. Mover el indicador de la escala graduada “Kgm” a cero.

2. Levantar el péndulo hasta la altura en la cual llega al seguro (1595 mm).

3. Poner el seguro en el brazo del martillo.

4. Accionar el freno de la maquina (por seguridad).

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MATERIALES

5. Seleccione la probeta a ensayar (según lista de materiales).

6. Coloque la probeta de prueba en los apoyos de la máquina correspondiente a la

altura h=0; procurando que quede centrada.

7. La probeta se colocara con el entalle hacia adentro

8. Ubicarse frente a la escala graduada “Kgm”.

9. Regular el indicador a una medida que se la pueda leer fácilmente (cero o uno).

10. Quitar el freno.

11. Ubicarse frente al seguro del brazo del martillo

12. Quitar el seguro

13. Dejar que el martillo golpee la probeta en el plano de simetría del entalle y sobre

la cara opuesta a la que lo contiene.

14. Levantar el freno y frenar el martillo.

15. Observar la medida indicada en la escala graduada “Kgm”

16. Tome la lectura del indicador y anote el resultado en su guía de laboratorio.

17. Proceda a realizar los cálculos, con las medidas tomadas.

HOJA DE CALCULOS

E.v (Kgm) Energía al vacio.

E.ens.(Kgm) Energía durante el ensayo.

E.o (Kgm) Energía absorbida por la probeta.

S.o (cm2) Área de sección transversal de la probeta.

K=Eo/So Resiliencia.

Kprom Resiliencia promedio.

Material aluminio

Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3 Probeta 4 Probeta 5

E.v (Kgm) 15.47 15.47 15.47 15.47 15.47

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MATERIALES

E.ens.(Kgm) 14.55 14.50 14.69 14.70 14.55

E.o (Kgm) 0.92 0.97 0.78 0.77 0.92

S.o (cm2) 0.47 0.49 0.455 0.48 0.48

K=Eo/So 1.96 1.98 1.68 1.60 1.92

Kprom=1.83

Material Acero

Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3 Probeta 4 Probeta 5

E.v (Kgm) 15.47 15.47 15.47 15.47 15.47

E.ens.(Kgm) 13.45 13.60 13.59 12.40 13.42

E.o (Kgm) 2.02 1.87 1.88 3.07 2.05

S.o (cm2) 0.5 0.48 0.49 0.55 0.50

K=Eo/So 4.04 3.89 3.83 5.58 4.10

Kprom=4.28

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. Realizamos el ensayo charpy para dos materiales de distintas características; la

gráfica del acero dulce muestra una resilencia promedio de 4.28[Kgm/cm2], se

puede concluir que el acero dulce tiene más tenacidad que el aluminio, debido a

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MATERIALES

su gran capacidad de absorción de energía, en comparación con el aluminio, de

ahí que sea más dúctil y menos frágil; todos estos términos vienen relacionados.

2. Logramos obtener una mayor resiliencia en el acero, es decir una mayor

capacidad de soporte de carga en su estado elástico, de igual manera el acero

tiene mayor tenacidad y ductilidad que el aluminio, lo que lo hace más

estructuralmente viable.

3. Observamos que el péndulo charpy es un mecanismo muy ingenioso y práctico

para realizar prácticas.

RECOMENDACIONES

1. Sería viable tener una cubierta de seguridad alrededor del espacio de trabajo de

este péndulo, ya que debido al espacio reducido, es mejor evitar cualquier

accidente.

2. Sería de igual manera excelente contar con más tiempo para las prácticas, ya que

estas a veces resultan un poco apresuradas.

ANEXOS

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MATERIALES

Fig.1 Probetas de madera (Fuente: Laboratorios UPS)

Fig.2 Máquina de ensayos (Fuente: Laboratorios UPS)

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MATERIALES

Fig.3 Medición fuerza manómetro (Fuente: Laboratorios UPS)

Fig.4 Preparación probeta (Fuente: Laboratorios UPS)

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MATERIALES

Fig.5 Medición deformación (Fuente: Laboratorios UPS)

Fig.4 Fractura por aplastamiento (Fuente: Laboratorios UPS)

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MATERIALES

BIBLIOGRAFÍA

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MATERIALES

Timoshenko y Gere (2002).ResistenciadeMateriales. (5ta ed.) España: Thomson.Pytel

(1994). ResistenciadeMateriales. (4ta ed.). México: Harla.

Beer y Ferdinand. (2010). MecánicadeMateriales.(5ta ed.). México: McGraw-Hill.

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