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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE ENSAYO DE
TENSIÓN PARA ACEROS DE USO AUTOMOTRIZ
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
ARTURO ALEJANDRO ESPINOSA ORTIZ
DIRECTOR: ING. ALEX GUZMÁN
Quito, marzo 2017
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017
Reservados todos los derechos de reproducción
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 171871848-7
APELLIDO Y NOMBRES: Espinosa Arturo Alejandro
DIRECCIÓN: Av. Mariana de Jesús y Av. Inca, Fajardo
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 02 3188-101
TELÉFONO MOVIL: 0984647581
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño y construcción de un banco de ensayo
de tensión para aceros de uso automotriz
AUTOR O AUTORES: Espinosa Ortiz Arturo Alejandro
FECHA DE ENTREGA DEL
PROYECTO DE TITULACIÓN: marzo 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Ing. Alex Guzmán
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN:
Para el presente proyecto de titulación se
desarrolló en primer lugar una investigación
exhaustiva acerca de todo lo referente al diseño
y construcción de un banco de ensayos de
tracción para aceros automotrices. En la fase de
la investigación constan temas como las
generalidades de los aceros, los tipos de aceros
automotrices, las propiedades de los materiales,
generalidades de un ensayo de tracción y todo lo
referente a un diagrama de esfuerzo versus
deformación. A continuación, se realizó un
análisis estructural para el diseño de los
elementos mecánicos que conforman la máquina
de ensayos; y de igual manera la selección
correcta de los elementos aplicados para la
generación de fuerza, la sujeción y la medición.
Para el correcto diseño se procedió a plantear
ecuaciones que dieron como resultado el buen
desempeño de cada uno de estos elementos y
de esta manera proceder a su construcción. En
el proceso de la construcción de los
componentes de la máquina, se aplicó los planos
diseñados en el software de diseño SolidWorks;
esta herramienta permitió tener una visualización
más clara de dichos componentes y así
garantizar el buen funcionamiento de la máquina
X
de ensayos. Para la construcción fue necesario
el requerimiento de máquinas y herramientas
para constituir el mecanizado; y posteriormente
dar un acabado superficial estético y duradero.
Una vez que se finalizó la construcción y
adquisición de los elementos, se procedió a
realizar el montaje completo del banco de
ensayos de tracción. Para finalizar este proyecto
se realizó pruebas de funcionamiento que
aseguren el buen funcionamiento de la máquina,
en donde se optó por hacer una prueba de
tracción en una maquina universal y de esta
manera poder comparar los resultados y
determinar si los resultados emitidos por la
maquina construida son aceptables y confiables.
PALABRAS CLAVES:
Ensayo de tracción
Aceros automotrices
Probetas normalizadas
Curva esfuerzo-deformación
Propiedades de los materiales
ABSTRACT:
For the present titling project, an exhaustive
investigation was first carried out on everything
related to the design and construction of a tensile
test bench for automotive steels. In the research
phase, there are topics such as the generalities
of steels, types of automotive steels, properties of
materials, generalities of a tensile test and
everything related to a stress versus strain
diagram. Next, a structural analysis had was
performed for the design of the mechanical
elements that make up the testing machine; And
in the same way, the correct selection of the
elements applied for the generation of force, the
subjection and the measurement. For the correct
design, we proceeded to propose equations that
resulted in the good performance of each one of
these elements and in this way, proceed to its
construction. In the process of constructing, the
machine components, the planes designed in the
SolidWorks design software were has applied;
This tool made it possible to have a clearer
visualization of these components and thus
ensure the proper functioning of the testing
machine. For the construction was necessary the
requirement of machines and tools to constitute
the machining; And subsequently give a surface
finish aesthetic and durable. Once the
construction and acquisition of the elements were
completed, the complete assembly of the traction
test bench was have carried out. In order to finish
this project was performed functional tests to
ensure the proper operation of the machine,
DEDICATORIA
Al culminar con la bendición de Dios, una nueva etapa de mi vida. Con mucho
cariño y gratificación dedico a mis amados padres, Arturo Espinosa e Isabel
Ortiz; este trabajo, que refleja el esfuerzo y sacrificio que me brindaron a cada
momento de mi vida, para hacer de mi un profesional
De manera especial dedico el presente trabajo a mi hermana Carla Espinosa,
por estar siempre presente, apoyándome para culminar con satisfacción este
proyecto y que nunca ha dejado de creer en mí.
A ti Cecilia Quiroz, dedico este trabajo, ya que, con tu apoyo incondicional,
brindado de manera desinteresada ha sido sumamente importante, para llegar
a culminar con una etapa más de mi vida.
También dedico este trabajo a mi abuelo Vicente Ortiz, aunque físicamente ya
no se encuentre conmigo, sé que desde la inmensidad me guía y acompaña
para que todo salga bien.
ESPINOSA ORTIZ ARTURO ALEJANDRO
AGRADECIMIENTO
Siempre me he sentido agradecido con Dios por la familia que ha dado, ya
que ellos siempre han estado pendientes de cada paso que doy. Por ello debo
agradecer a mis padres y hermana, pilar fundamental de mi vida, que, gracias
a sus consejos y sacrificios, han hecho de mí una buena persona.
Un agradecimiento especial a Cecilia Quiroz, quien con su amor y ayuda, me
supo acompañar en cada momento, para poder cumplir este objetivo.
A mi abuela María Molina, le agradezco por su preocupación ante mí y toda
la ayuda, así como consejos que me ha brindado durante toda mi vida.
A mis profesores mi mayor gratitud, pues con sus enseñanzas y su ejemplo
han sembrado en mí la semilla de saber; y a mi querida universidad, de cuyas
aulas llevo los mejores recuerdos
Mi eterna gratitud a todos por depositar su confianza en mí.
ESPINOSA ORTIZ ARTURO ALEJANDRO
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ..................................................................................................... 1
ABSTRACT ................................................................................................... 2
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 3
2. METODOLOGÍA ...................................................................................... 23
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................ 25
3.1. DISEÑO DE LA PROBETA ............................................................... 25
3.2. DISEÑO DEL BANCO DE ENSAYO DE TENSIÓN .......................... 26
3.2.1. DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS DE LA MÁQUINA ...... 26
3.2.1.1. Diseño de pilastras superiores (P1, P2) ............................... 28
3.2.1.2. Diseño de pilastras inferiores (P3, P4, P5, P6) .................... 29
3.2.1.3. Diseño de las placas metálicas (C1, C2) .............................. 31
3.2.1.4. Diseño de la placa metálica C3 ............................................ 33
3.2.1.5. Diseño de la placa metálica C4 ............................................ 35
3.2.1.6. Diseño de la sección roscada de las pilastras ...................... 37
3.2.1.7. Selección de las tuercas ....................................................... 38
3.2.2. SELECCIÓN DE ELEMENTO GENERADOR DE FUERZA .......... 38
3.2.3. SELECCIÓN DE ELEMENTOS DE SUJECIÓN ............................ 39
3.2.4. SELECCIÓN DE ELEMENTOS DE MEDICIÓN ............................ 40
3.3. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE ENSAYO ................................. 41
3.4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ................................................. 41
3.4.1. RESULTADOS OBTENIDOS CON EL BANCO DE ENSAYOS .... 42
3.4.2. RESULTADOS OBTENIDOS CON LA MÁQUINA UNIVERSAL ... 42
3.4.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS ....................................................... 42
3.4.4. DIAGRAMA ESFUERZO–DEFORMACIÓN UNITARIA DEL
ACERO ASTM A36 ...................................................................... 43
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................... 44
4.1 CONCLUSIONES .............................................................................. 44
4.2 RECOMENDACIONES ...................................................................... 45
5. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................... 46
6. ANEXOS ................................................................................................. 47
ii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Diagrama Esfuerzo – Deformación .............................................. 12
Figura 2. Zona elástica (Diagrama Esfuerzo - Deformación) ...................... 13
Figura 3. Zona plástica (Diagrama esfuerzo - deformación) ....................... 14
Figura 4. Zona de fluencia (Diagrama esfuerzo - deformación) .................. 15
Figura 5. Probetas normalizadas; cilíndrica y rectangular ........................... 17
Figura 6. Dimensiones de una probeta bajo la norma ASTM A-370 ........... 25
Figura 7. Vista frontal de la parte mecánica del banco de ensayo .............. 26
Figura 8. Vista lateral de la parte mecánica del banco de ensayo .............. 27
Figura 9. Dimensiones de las pilastras superiores P1 y P2 ........................ 29
Figura 10. Dimensiones de las pilastras inferiores ...................................... 31
Figura 11. Dimensiones de las placas metálicas C1 y C2 .......................... 31
Figura 12. Dimensiones de la placa metálica C3 ....................................... 33
Figura 13. Dimensiones de la placa metálica C4 ........................................ 35
Figura 14. Esquema del roscado de las pilastras superiores ...................... 37
Figura 15. Dimensiones la sección roscada de las pilastras. ...................... 38
Figura 16. Gato hidráulico de botella con manómetro ................................ 38
Figura 17. Tornillo de banco de 3 pulgadas ................................................ 39
Figura 18. Manómetro de presión relativa ................................................... 40
Figura 19. Calibrador Vernier ...................................................................... 40
Figura 20. Construcción del banco de ensayos .......................................... 41
Figura 21. Prueba de funcionamiento del banco de ensayo ....................... 41
Figura 22. Diagrama esfuerzo – deformación unitaria de los resultdos ...... 43
iii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Componentes para fabricar aceros ................................................. 4
Tabla 2. Clasificación de los aceros empleados en el automóvil ................... 8
Tabla 3. Materiales y herramientas para el desarrollo de la máquina ......... 24
Tabla 4. Características mecánicas del acero ASTM A36 .......................... 25
Tabla 5. Descripción de simbología de la figura 7 ....................................... 27
Tabla 6. Resultados del ensayo de tensión con la máquina construida ...... 42
Tabla 7. Resultados del ensayo con la máquina universal de la EPN ......... 42
Tabla 8. Requerimientos mínimos del acero ASTM A-36 ............................ 43
iv
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1. Diagramas del proceso constructivo de la máquina .................... 47
Anexo 2. Diagrama de proceso de la instalación del manómetro ............... 53
Anexo 3. Diagrama de proceso del ensamblaje de la máquina .................. 54
Anexo 4. Planos de construcción de los elementos diseñados. .................. 56
Anexo 5. Planos estructurales de la máquina ............................................. 61
Anexo 6. Planos estructurales de la probeta ............................................... 63
Anexo 7. Informe técnico del ensayo de tracción realizado en la EPN ....... 64
Anexo 8. Manual de operación del banco de ensayos de tensión .............. 65
Anexo 9. Manual de mantenimiento del banco de ensayos de tensión ....... 67
Anexo 10. Hoja guía para prácticas de ensayos de tensión ....................... 68
Anexo 11. Norma técnica ecuatoriana NTE INEN 109:2009 ....................... 70
Anexo 12. Dimensiones de probetas bajo la norma ASTM A370................ 76
Anexo 13. Ficha técnica acero ASTM A36 .................................................. 77
Anexo 14. Ficha técnica del acero AISI 1018 ............................................. 78
Anexo 15. Presupuesto para la ejecución del proyecto .............................. 79
Anexo 16. Imágenes de los aceros utilizados en las carrocerías ................ 80
1
RESUMEN
El presente trabajo, se basó en el diseño y construcción de una máquina que
sea capaz de realizar ensayos de tracción para aceros de uso automotriz. El
proyecto en mención, consta de varios capítulos que, conformándolos,
aportan para la creación de esta máquina.
En la introducción, se indicó el estudio acerca del acero, debido a que es
fundamental en el diseño y posterior construcción. Del mismo modo se
mencionó las propiedades que confieren los materiales, los tipos de aceros
empleados en la fabricación de vehículos. Por último, se describió en que
consiste un ensayo de tensión.
Tomando en cuenta toda la información recopilada, así como de los métodos
de investigación aplicados. Se procedió a realizar el diseño de cada una de
los elementos que serían construidos. El diseño de estos elementos se realizó
con referencia a otras máquinas que realizan ensayos de tensión; y mediante
la resolución de cálculos matemáticos, se logró garantizar el buen
funcionamiento de la máquina.
Una vez concluida la etapa de diseño, se construyeron los elementos
mecánicos, los cuales fueron sometidos a varios procesos de mecanizado y
de esta manera obtener la geometría de los elementos diseñados, con las
dimensiones establecidas. El siguiente paso a seguir fue la selección de
ciertos componentes, tomando en cuenta las exigencias que demande el
material a ensayar. Al contar con todos los elementos, se realizó el montaje
por completo del banco de pruebas de tensión.
Para finalizar se efectuaron pruebas de funcionamiento para garantizar que la
máquina construida, genere resultados seguros sobre la resistencia a la
tracción que debe tener un acero. Para demostrar la confiabilidad de los
resultados, se procedió a comparar dichos datos con los valores emitidos por
una máquina universal de ensayos de la EPN.
Palabras claves: ensayo de tracción, aceros automotrices, probetas
normalizadas, curva esfuerzo-deformación y propiedades de los materiales.
2
ABSTRACT
The present project was based on the design and construction of a machine
that is capable of performing tensile tests for steels for automotive use. The
project in mention consists of several chapters that, conforming them,
contribute for the creation of this machine.
In introduction, the study on steel had was indicated, because it is fundamental
in the design and subsequent construction. Similarly, the properties conferred
by materials in general, the types of steels used in the manufacture of vehicles.
Finally, it was described as consisting of a tensile test.
The methodology used to fulfill all the objectives was detailed. Taking into
account all the information collected, as well as the applied research methods.
Elsewhere, we proceeded to design each of the parts that would be built. The
design of these elements was done with reference to other machines that
perform stress tests; And through the resolution of mathematical calculations,
it was possible to guarantee the good functioning of the machine.
Once the design stage was completed, the mechanical elements were
constructed, which were subjected to various machining processes and thus
obtain the geometry of the designed elements, with the established
dimensions. The next step was to select certain components, and then to
acquire them; Taking into account the demands of the material to be tested.
After having acquired all the elements, the tension test bench was completely
assembled.
Finally, functional tests were carried out to ensure that the machine was built,
to generate reliable results on the tensile strength of a steel. To prove the
reliability of the results, we compared the data with the values emitted by a
universal testing machine of the EPN.
Keywords: tensile test, automotive steels, standardized specimens, strain-
strain curve and material properties.
1. INTRODUCCIÓN
3
1. INTRODUCCIÓN
El presente trabajo de titulación consiste en diseñar y construir un banco de
ensayos de tensión para aceros de uso automotriz, debido a que pocas
entidades del país cuentan con un banco de ensayo de tensión para aceros
empleados en la fabricación de vehículos.
Conociendo que hoy en día el sector automotor tiene un papel muy importante
en la economía del país y que cada año toma más importancia debido al gran
crecimiento del parque automotor. Es necesario contar con una máquina que
permita realizar ensayos de tensión en aceros de uso automotriz y de esta
manera determinar las propiedades mecánicas. En la actualidad existen
diferentes materiales usados para la fabricación de un vehículo, y uno de estos
materiales es el acero. El acero es un metal ferroso que se obtiene de una
aleación de hierro con una cantidad de carbono y que mejoran las
características físicas y mecánicas del hierro.
Por otro lado, es necesario conocer las propiedades mecánicas que tienen los
diferentes tipos de aceros usados en la fabricación de vehículos, para dar su
posterior aplicación, según sean las exigencias que se requieran para cumplir
un trabajo específico. Por ello es indispensable realizar ensayos de tensión o
también conocidos como ensayos de tracción; este ensayo no es más que
una prueba para medir la resistencia a la tracción o tensión.
Ejecutando el proyecto del diseño y construcción de un banco de ensayo de
tensión para aceros de uso automotriz, permite que estudiantes logren poner
en práctica los conocimientos adquiridos en las aulas de clases.
Es necesario acotar que con un adecuado diseño y con su posterior
construcción, esta máquina aportará con los datos suficientes para trazar el
conocido diagrama de esfuerzo – deformación, que se obtiene con los
diferentes aceros de uso automotriz; y de esta manera determinar las
propiedades mecánicas de los aceros utilizados en la industria automotriz.
Otro punto muy importante en este proyecto, es la adecuada selección del
material; con el cual se obtiene datos técnicos necesarios, siendo estos de
gran aporte para la resolución de cálculos, que se aplican acorde a las
exigencias que presente un elemento al momento de desarrollar su diseño;
tomando en cuenta los requerimientos necesarios para cumplir con las
normas técnicas establecidas. Por lo anteriormente descrito, es importante
tomar en cuenta un diseño apropiado, con todos los cálculos necesarios, y
que de esta manera garanticen la construcción de una máquina
completamente funcional, la cual debe efectuar ensayos de tensión.
Finalmente se realizaron las pruebas pertinentes que indiquen el buen estado
de la máquina, ya construida; para lo cual es aconsejable la comparación de
los resultados obtenidos de la prueba de tracción, con otros resultados que se
consiguen de una máquina universal para ensayos de tensión o tracción, de
la Escuela Politécnica Nacional.
4
Para la consecución del objetivo general, el cual es diseñar y construir un
banco de ensayos de tensión que permita obtener mediciones de la
resistencia a la tensión en aceros de uso automotriz; es necesario cumplir con
objetivos específicos, los cuales se anuncian a continuación:
Investigar y analizar las propiedades mecánicas de aceros de uso
automotriz, así como de los métodos de ensayo de tensión.
Diseñar un banco de ensayos de tensión que cumpla con las
características necesarias para su correcto funcionamiento.
Construir una máquina que sea capaz de realizar ensayos de tensión en
aceros de uso automotriz.
Obtener mediciones a base de ensayos de tensión de aceros de uso
automotriz a través de probetas normalizadas.
Analizar los resultados del ensayo de tracción sometido a un acero de uso
automotriz, emitidos por la máquina construida.
En la etapa de investigación científica se define que el acero es un material
férreo obtenido de la aleación o combinación entre los elementos químicos
Hierro (Fe) y Carbono (C). A esta aleación se le puede agregar otros
materiales sean estos metales o metaloides, los cuales modifican las
propiedades del acero y confieren nuevas características.
Dependiendo del porcentaje de carbono, el mismo que no supera el 2% en
peso de la aleación que conforma el acero; existen diferentes tipos de aceros
y debido a esto se da su respectivo uso y aplicación.
En lo que se refiere respecto al uso del acero en la industria automotriz,
estudios afirman que el acero es el material que sobresale en la fabricación
de distintos tipos de vehículos; todo esto debido a sus propiedades físicas,
químicas y tecnológicas que aporta dicho material, de igual manera otro punto
a favor es su reducido costo económico comparado con otros materiales; y de
la misma manera su fácil forma de obtención,
Para la obtención de acero existen diferentes procesos termomecánicos, pero
todos estos procesos necesitan de cuatro componentes que son
indispensables; estos elementos químicos se mencionan en la tabla 1.
Tabla 1. Componentes para fabricar aceros
Hierro
Elemento químico, pertenece a la familia de los metales,
se halla entre los elementos más abundantes que se
encuentran en la naturaleza.
Coque
Combustible que procede de la destilación del elemento
químico carbón, el cual proporciona calor para realizar
reacciones químicas.
Caliza
Roca que está compuesta por partículas de carbonato
cálcico y la cual es usada como fundente, ayudando así
a eliminar escoria del elemento hierro.
Aire
Es un comburente, ya que contiene oxígeno y de esta
manera ayuda a aumentar la eficiencia de la combustión,
en la fabricación del acero.
(Herrero & Ulargui, 2009)
5
Tomando en cuenta la definición y constitución del acero, se mencionan los
tipos de aceros empleados en la fabricación de vehículos, se diferencian por
varias razones; una de ellas es el porcentaje en carbono que tiene la aleación
para conformar el acero, ya que dependiendo de este porcentaje se obtiene
la resistencia y rigidez necesaria para que el acero logre soportar cargas
específicas o esfuerzos mecánicos, en diferentes secciones. De igual manera
los aceros automotrices se los diferencian de acuerdo a su uso.
Una de las principales características que confiere el acero, es que sus
propiedades físicas varían dependiendo del tipo de acero. Por este motivo los
aceros usados en el área automotriz se los clasifican en diversos tipos, como:
aceros convencionales, aceros alta resistencia, aceros de muy alta resistencia
y aceros de ultra resistencia.
Los aceros convencionales son fabricados a través de procesos
termomecánicos mediante técnicas de laminación; con este proceso se
obtiene un acero dulce no aleado y con un reducido porcentaje de carbono,
gracias a su laminado en frio. Al acero convencional posee un límite elástico
es demasiado bajo. Son usados para fabricar elementos estructurales de baja
responsabilidad, como: alerones, paneles de puertas y puertas posteriores.
Su reparación no es compleja y una buena aptitud para soldar.
Otro tipo de acero son los aceros de alta resistencia se subdividen en tres
tipos, dependiendo del proceso de endurecimiento aplicado para elevar su
resistencia. Estos se los clasifican en tres tipos: aceros bake hardening,
aceros microaleados o aceros ALE y aceros al fósforo o aceros refosforados
Conocidos por sus siglas como aceros BH, estos aceros son fabricados con
tratamientos térmicos a través de un efecto de cocción denominado “Bake
Hardening”. Su límite elástico es superior a los 40 MPa y de esta manera
otorga una mayor resistencia a la deformación, la cual es el resultado de un
golpe o choque. Con los aceros BH, también se obtiene un aligeramiento, ya
que existe la disminución en el espesor de la placa metálica para obtener
similares características mecánicas. Se los emplea en la fabricación de
elementos exteriores y elementos estructurales como, por ejemplo: puertas,
capos, techos, bastidores inferiores, travesaños y refuerzos. Su reparación es
poco compleja, pero una buena disposición a la soldadura.
Los aceros microaleados, se obtienen de la aleación del acero con otros
metales, como el niobio, titanio o cromo; los cuales confieren a este acero
propiedades de dureza superiores al de un acero convencional. Este acero
presenta una buena resistencia contra los golpes; también entrega una buena
resistencia a la fatiga y una buena disposición que tiene ante la deformación.
Su reparación muestra mayor esfuerzo, debido a su alto límite elástico, pero
con una buena aptitud a cualquier método de soldadura. Se los emplea donde
se requiera una gran resistencia a la fatiga, y por lo tanto se los utiliza en
elementos internos de la estructura de un vehículo, por ejemplo: los largueros,
travesaños, refuerzos de la suspensión o también en refuerzos interiores.
6
Los aceros refosforados son aceros aleados con un componente químico de
endurecimiento llamado fósforo (P), la cantidad de fósforo no debe sobrepasar
el 0,12% para así poder conformar un acero refosforado y de esta manera
otorgar diferentes propiedades físicas y mecánicas. Este tipo de acero
automotriz proporciona una alta resistencia a la fatiga y con una buena
disposición para la conformación por la técnica de estampación. En lo que
respecta a soldadura presenta una buena aptitud en cuanto a su reparación
presente mayor grado de dificultad. Los aceros refosforados son usados en
numerosas partes del vehículo, por ejemplo: los travesaños, los largueros, las
pilastras inferiores y los refuerzos de los pilares del vehículo, que vayan a
someterse a impactos.
Continuando con la clasificación general de los aceros se encuentran los
aceros de muy alta resistencia, se los conforma a partir de aceros iniciales los
cuales son sometidos a distinto tratamiento térmicos, dando como resultado
diferentes tipos de aceros que son los siguientes: aceros de fase doble (DP),
aceros de plasticidad inducida por transformación (TRIP), aceros de fase
compleja (CP).
El acero de fase doble es un acero de muy alta resistencia, se lo denomina
fase doble debido a que su estructura está compuesta por una matriz de tipo
ferrita y por una matriz de tipo martensita. Este acero aporta con una buena
distribución de las alteraciones sufridas por colisiones, ya que tiene un
elevado poder de absorción de energía; también este acero proporciona una
elevada resistencia mecánica, demostrando excelentes aptitudes ante la
fatiga. La característica más relevante del acero de fase doble es la de
aligeramiento de piezas. El acero DP se lo emplea en elementos que
garanticen la seguridad del conductor y de sus acompañantes, siendo así
utilizado en la parte estructural del vehículo, como, por ejemplo: refuerzos de
puertas, soportes de defensas, estribos, corredoras de asientos, entre otros
elementos que conformen la parte estructural del vehículo. Su reparación es
demasiada complicada y de igual manera es bastante complejo al momento
de someter este tipo de acero, a soldadura.
Los aceros TRIP están fabricados a través de una transformación de fase, en
la cual se obtiene un acero con una alta resistencia a la tracción; de igual
manera que el acero de fase doble, el acero de plasticidad inducida por
transformación (TRIP), presenta una aceptable distribución ante una
deformación, además de una excelente disposición a la estampación en
temperaturas bajas. En cuanto a la resistencia a fatiga es más alta que los
aceros de fase doble, debido a su gran propiedad de ductilidad.
Estos aceros tienen una mayor reducción en tamaño y peso. Su uso se da en
piezas estructurales de gran responsabilidad ante algún choque, y de esta
manera aseguren la vida de los ocupantes del vehículo. Estas piezas pueden
ser: largueros, refuerzos de pilar, travesaños, etc. Un reconformado de acero
TRIP, es muy complejo y demanda un gran esfuerzo. De igual manera para
realizar un proceso de soldadura.
7
Los aceros de fase compleja se diferencian de los otros tipos de acero por su
baja cantidad de carbono en composición de la aleación de acero, el
porcentaje de carbono es menor al 0.2 %. La estructura de los aceros de fase
compleja tiene diferentes componentes de aleación, estos pueden ser:
magnesio (Mg), silicio (Si), cromo (Cr) o molibdeno (Mo), y boro (B). Los
aceros CP se caracterizan por presentar un gran comportamiento en la
distribución de energía, y de la misma manera una muy elevada resistencia
ante las deformaciones producidas por sufrir colisiones. Su empleo se da en
zonas que eviten la intromisión de objetos en la cabina y en el compartimiento
del motor o maletero, como, por ejemplo, el refuerzo del pilar B de la carrocería
de un vehículo. Su reparación es demasiado compleja y dificultad para aplicar
algún tipo de soldadura.
Para finalizar la clasificación general de los aceros, se mencionan los de ultra
resistencia; son aquellos capaces de absorber grandes cantidades de
energía, así como la de proporcionar una alta resistencia ante la deformación
y teniendo un alto grado de rigidez. Estos aceros se dividen en: aceros
martensítico (MAR) y aceros al boro o aceros boron (BOR)
El acero martensítico, no es más que un acero conformado a base de
martensita en su estructura, producido por la transformación de ausentita, a
través de un proceso de recocido; dando como producto un acero con un alto
límite elástico. Gracias a su alta resistencia a la deformación, estos aceros
son usados en zonas como son los habitáculos de los pasajeros, del motor y
de la maletera; logrando así garantizar la seguridad del conductor. Su
reparación o reconformación, viene a ser demasiado compleja, para lo cual
será recomendable sustituir por completo la pieza a afectada. Para poder usar
un proceso de soldadura se requerirá de equipos especializados, que logren
alcanzar intensidades muy elevadas (Gutiérrez, 2012).
Los aceros al boro tienen en su composición algunos aleantes para adquirir
nuevas propiedades, estos elementos químicos son: el manganeso (1.1% -
1.4%), el boro y el cromo (0.05%); con la aleación de estos elementos
químicos y el acero, se obtiene un alto nivel de dureza, un elevado limite
elástico y una disminución en alargamiento. El acero al boro se lo emplea en
secciones estructurales del vehículo, ya que soportan fuertes impactos y tener
una muy buena resistencia a la fatiga, aportando de esta manera a la
seguridad del vehículo. Por ejemplo, se lo usa en la fabricación del habitáculo,
refuerzos y travesaños. Se torna imposible su reconformado, y presentan una
mala aptitud ante la soldadura.
En síntesis, existe una clasificación general de los aceros, pero en ciertos tipos
de aceros existen subdivisiones debido al proceso de obtención o bien sea a
la conformación por aleación con elementos químicos; cada uno de los tipos
de aceros cumplen funciones específicas en la fabricación de un vehículo,
debido a sus distintas características. Con la ayuda de un banco de ensayos
de tensión se obtienen las características o propiedades mecánicas de estos
aceros a través de pruebas de tracción.
8
A continuación, se presenta la tabla 2, con la clasificación de los aceros
empleados en la fabricación de un vehículo, así como su límite elástico.
Tabla 2. Clasificación de los aceros empleados en el automóvil
TIPOS DE ACERO
(División/Subdivisión)
LÍMITE ELÁSTICO
(N/mm)
Aceros
Convencionales < 220
Aceros de Alta
Resistencia
Aceros Bake-Hardening 160 – 300
Aceros Microaleados o Aceros ALE > 340
Aceros Refosforados o Aceros
Aleados al Fósforo > 220
Aceros de Muy
Alta
Resistencia
Aceros de Fase Doble (DP) 500 – 600
Aceros de Plasticidad Inducida por
Transformación(TRIP) 600 – 800
Aceros de Fase Compleja (CP) 800 – 1000
Aceros de ultra
alta resistencia
Aceros Martensíticos (MS) 1000 – 1250
Aceros Boron o
Aceros al Boro (BOR) > 1250
(Gutierrez, 2012)
Un tema relevante en la investigación sobre los aceros son sus propiedades,
por lo cual es necesario tener conocimiento acerca de las propiedades que
confieren todos los materiales; para así lograr un buen diseño y su posterior
construcción de una máquina que brinde resultados a través de ensayos de
tensión o tracción. Los aceros de uso automotriz tienen diferentes
propiedades, las cuales confieren distintas características y por ende se da su
respectiva aplicación en los diferentes componentes que forman la fabricación
de un vehículo. Las propiedades de los materiales se dividen en tres grandes
grupos, como son: las propiedades físicas, las propiedades químicas y las
propiedades tecnológicas
Las propiedades físicas, son propias de cada material y de los procesos de
fabricación. Entre las propiedades físicas más importantes que posee un
material, están las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. A
continuación, se detallan las diferentes propiedades.
Las propiedades mecánicas, permiten describir el comportamiento que tiene
dicho material, al estar este sometido a esfuerzos mecánicos; como son de
tensión, de compresión, de impacto o de fatiga. Dentro de las propiedades
mecánicas, se derivan las siguientes:
a) Dureza: es una propiedad, que determina la resistencia que opone un
material a la deformación o penetración de su superficie.
b) Elasticidad: es la propiedad de un material, de deformarse bajo una acción
de fuerza y regresar a su estado original, cuando la fuerza aplicada este
ya ausente.
c) Fluencia: propiedad que tienen los metales, como por ejemplo el acero;
consiste en la deformación progresiva, bajo cargas externas.
9
d) Fragilidad: un material tiene la propiedad de fragilidad, al momento que
sufre de una rotura producida por alguna colisión, y este material no varía
su forma.
e) Plasticidad: es la propiedad que posee un material en el que queda
deformado después de haber actuado sobre dicho material una fuerza, o
sea que no vuelve a su forma original al retirar la fuerza o carga a la que
estuvo sometido.
f) Resiliencia: propiedad de un material, la cual muestra la facilidad que tiene
dicho material para absorber energía, cuando este está sometido a alguna
colisión.
g) Tenacidad: es una propiedad contraria a la fragilidad, la cual se manifiesta
cuando un material sufre considerables deformaciones plásticas, bajo
cargas; sin llegar a fracturarse o romperse.
Lo que respecta a las propiedades térmicas que posee un acero o cualquier
tipo de material que sea, es la de demostrar la conducta que obtiene dicho
material, estar expuesto a la presencia del calor. Entre las principales
propiedades térmicas de un material, se tienen las siguientes:
a) Punto de Fusión: esta propiedad que tienen todos lo material, indica la
temperatura necesaria para transformar un material de estado sólido en
estado líquido.
b) Dilatación Térmica: propiedad de los materiales, los cuales muestran un
aumento de volumen, siempre que estos son sometidos a variaciones
bruscas de temperatura.
c) Conductividad Térmica: propiedad de los materiales, la misma que
consiste en la disposición para disipar el calor fácilmente.
Las propiedades eléctricas son de gran importancia ya que muestran el
comportamiento que tienen los materiales cuando están expuestos a corriente
eléctrica. De la misma manera que las otras se subdividen y se puede nombrar
las siguientes:
a) Conductividad Eléctrica: es una propiedad característica de los metales,
la cual consiste en presentar una buena aptitud para transmitir o conducir
corriente eléctrica.
b) Resistividad Eléctrica: propiedad contraria a la conductividad eléctrica, se
la denomina así, debido a que esta propiedad radica en la oposición al
paso de corriente eléctrica.
El segundo gran grupo entre las propiedades de los materiales son las
propiedades químicas que posee todo tipo de material, estas son muy
significativas al momento de interactuar con otros elementos; presentando
como resultado la transformación de dicha materia. En cuanto a las
propiedades químicas, se describen las siguientes: la corrosión, la oxidación,
la inflamabilidad y la reactividad.
a) Corrosión: es la destrucción progresiva del material a consecuencia de
procesos químicos; producidos mediante agentes exteriores, como por
ejemplo la humedad o condiciones climáticas.
10
b) Oxidación: propiedad que se manifiesta en los metales, hasta cierto rango
de temperatura, y viene a ser el resultado del contacto entre un metal con
el aire o ya sea con el agua.
c) Inflamabilidad: es la propiedad que tiene un material ante la capacidad
para iniciar una combustión
d) Reactividad: propiedad que mide la capacidad que tiene un material para
relacionarse con otras sustancias y provocar reacciones químicas.
Finalmente se tienen las propiedades tecnológicas y tienen que ver con la
disposición que tiene un material ante tratamientos de trabajo. Las principales
propiedades tecnológicas son:
a) Colabilidad: es la capacidad que tiene un material en estado líquido para
saturar por completo todas las cavidades de un molde.
b) Ductilidad: es la disposición que tiene el material para soportar esfuerzos
de tensión, presentando hilados muy finos sin romperse.
c) Maleabilidad: es una propiedad que poseen ciertos materiales de
reducirse a láminas, sin que sufra este material de roturas.
d) Maquinabilidad: es la dificultad o facilidad que presenta un material para
ser mecanizado con cuchillas o herramientas cortantes.
e) Fusibilidad: es la propiedad que tiene, al mostrar una buena o mala aptitud
para ser este fundido, a temperaturas específicas.
f) Templabilidad: consiste en la capacidad que tiene un metal al sufrir
cambios, debido a cambios bruscos de temperatura.
g) Soldabilidad: propiedad de los metales, al mayor o menor grado de unirse
por soldadura.
Los ensayos mecánicos de los aceros, son un tema fundamental en el
desarrollo de este, se los realiza con la finalidad de aportar información acerca
de las propiedades mecánicas que tiene un acero; y de esta manera se
conoce las prestaciones que posee dicho acero. Existen dos grandes
divisiones: los ensayos no destructivos y los ensayos destructivos.
Los ensayos no destructivos son aquellos ensayos que no alteran de manera
permanente las propiedades del material; ya sean estas físicas, químicas o
tecnológicas. La finalidad de estos ensayos es la de detectar fallas en un
material y también permiten evaluar las propiedades que le caracterizan. Los
ensayos no destructivos, más usados en el sector automotriz son:
Inspección Visual (VT)
Líquidos Penetrantes (PT)
Radiografía Industrial (RT)
Ultrasonido Industrial (UT)
Partículas Magnéticas (MT) Los ensayos destructivos, como dice su nombre destruyen de manera
definitiva el material ensayado. En los ensayos destructivos se utilizan
pequeños patrones de material, en este caso de un tipo de acero. Estos
patrones se los conocen como probetas, las cuales deben estar normalizadas
y estandarizadas.
11
Este tipo de ensayo consiste en someter a la probeta a fuerzas externas de
manera gradual hasta que se produzca la rotura o fractura del material. Entre
los principales ensayos destructivos, se tienen los siguientes:
Ensayo de Compresión
Ensayo de Dureza
Ensayo de Fatiga
Ensayo de Resiliencia
Ensayo de Tracción
Para describir en que consiste un ensayo de tracción, es indispensable
conocer de qué se trata la tracción mecánica. Se conoce como tensión
mecánica, al esfuerzo interno producido por la aplicación de fuerzas opuestas,
a un cuerpo en común. Sus unidades de medida son las pertenecientes a la
magnitud de la fuerza o equivalentes.
Un ensayo de tracción o tensión, es una prueba fundamental para obtener
información acerca de las propiedades mecánicas que tiene un material. Este
ensayo del tipo destructivo, permite trazar el diagrama de esfuerzo -
deformación, el cual proporciona datos para determinar la resistencia a la
tracción, límite de elasticidad y plasticidad. El ensayo de tracción se base en
el sometimiento de esfuerzos de tracción a una probeta con dimensiones
estándares, de manera creciente hasta conseguir la rotura del material que se
desea ensayar. El procedimiento para realizar este ensayo consiste en primer
lugar la sujeción de la probeta por ambos extremos con la ayuda de unas
mordazas, y el aumento progresivo de una carga axial de tracción, lo cual
hace que el material que se pretende ensayar empiece con un proceso de
deformación, llegando a sobrepasar el límite de elasticidad.
Por medio de dispositivos de medición se logran obtener los resultados
necesarios como son la carga aplicada y el alargamiento de la probeta. El
ensayo de tracción es muy utilizado en la industria automotriz para conocer
las resistencias a la tensión de los diferentes materiales empleados en la
fabricación de vehículos; según sea la información se da su respectivo uso.
Para diseñar una estructura es necesario aplicar un análisis de la rigidez
(oposición a la deformación) y resistencia (oposición a la rotura), del material
El esfuerzo se lo define como la fuerza por unidad de área, en otras palabras,
es decir, es la relación entre la fuerza generada y el área en la cual se aplica
dicha fuerza o carga. Se usa unidades de presión. El cálculo de esfuerzos
axiales, se realiza con la ecuación 1.
𝜎 = 𝑃
𝐴 [1]
Donde:
σ: Esfuerzo axial (N/m2 o Pa)
P: Fuerza axial (N)
A: Área de la sección transversal (m2)
12
En lo que se refiere al sometimiento de esfuerzos axiales de tracción, la
deformación será el resultado del alargamiento producido por cargas. La
deformación es adimensional, el cálculo se realiza con la ecuación 2.
𝜀 =∆𝐿
𝐿𝑜=
𝐿𝑓−𝐿𝑜
𝐿𝑜
[2]
Donde:
ε: Deformación unitaria
∆L: Deformación total
Lo: Longitud inicial
Lf: Longitud final
Mediante la obtención del esfuerzo axial y la deformación unitaria, se logra
concretar la curva esfuerzo-deformación, que se presenta en la figura 1. La
cual se divide en dos zonas: la zona elástica y la zona plástica; en ciertos
materiales existe una zona intermedia llamada zona de fluencia.
Se observa en la figura 2, la zona elástica que inicia desde el punto de
referencia O y finaliza en el punto de referencia B. La zona elástica se
caracteriza por recuperar su forma original al retirar las fuerzas aplicadas. La
zona elástica está formada por dos zonas que son importantes en el análisis
de resultados un ensayo de tracción, estas dos zonas son: la zona de
proporcionalidad y la zona de no proporcionalidad.
σ u
Zona
plástica
O
A
B
C
D
E
σ r
σ e
σ p
ε
σ
Zona
elástica
Figura 1. Diagrama Esfuerzo – Deformación (Fidalgo & Fernández, 2016)
Zon
a d
e Fl
uen
cia
13
La zona de proporcionalidad se observa en la figura 2, la cual está desde el
punto O hasta concluir en el punto A. Se representa con una línea recta, donde
se demuestra la proporcionalidad existente entre los esfuerzos aplicados (σ)
y las deformaciones (ε). Dentro de esta primera zona los aceros suelen
retomar su longitud inicial al suspender las cargas. La Ley de Hooke muestra
que la deformación que experimenta un material es directamente proporcional
al esfuerzo aplicado, de esta manera el material retorna a su longitud inicial.
El retorno que presenta es casi en su totalidad, dependiendo del material.
Mediante el uso de la ley de Hooke, se establece la ecuación 3, siendo esta
muy significativa en un ensayo de tracción.
𝜎 = 𝐸. ε
[3]
Donde:
σ: Esfuerzo (N/m2 o Pa)
E: Módulo de elasticidad (N/m2 o Pa)
ε: Deformación unitaria (Adimensional)
Observando la figura 2 se determina que la zona no proporcional de un
material, comienza desde el punto de referencia A hasta llegar al punto de
referencia B. En esta zona de no proporcionalidad, el material aún se
comporta de manera elástica. Las deformaciones que sufre un material no son
permanentes, siempre y cuando se aparten los esfuerzos ejercidos hacia la
probeta; pero en esta zona no se encuentra una relación de proporcionalidad
entre las cargas o esfuerzos aplicados (σ) y las elongaciones o deformaciones
(ε).
ε
σ
O
A
B
C
D
E
Zona no
proporcional
Zona
proporcional
Figura 2. Zona elástica (Diagrama Esfuerzo - Deformación) (Fidalgo & Fernández, 2016)
14
Otra gran zona es la zona plástica, se singulariza por una deformación
permanente, debido a que se ha sobrepasado el límite elástico; aunque así se
retiren los esfuerzos. Dentro de la zona plástica el material no volverá a
recuperar su longitud original y por ende su longitud final será mayor que la
inicial. Po ello es que existen diferentes curvas en el diagrama de esfuerzo
deformación ya que esto varia de un material a otro, como es en el caso del
acero con el cual se obtienen distintas curvas de la zona plástica, como se
indica en la figura 3.
Al igual que en la zona elástica, esta zona plástica deriva a otras dos zonas
halladas desde el punto C hasta llegar al punto D; estas son: la zona de
deformación plástica uniforme y la zona de deformación plástica localizada
La zona de deformación plástica uniforme, también conocida como la zona
límite de rotura, observando la figura 3, determina que se encuentra entre los
puntos de referencia C y D. En esta zona, se logra apreciar que la curva es
más tendida y que se obtienen grandes deformaciones con un mínimo
incremento de esfuerzo (tensión) aplicado sobre la probeta. En el punto D se
localiza el límite de rotura y se consigue el esfuerzo máximo, al cual se lo
conoce como resistencia a la tracción (σr).
La zona de deformación plástica localizada también conocida como zona de
estricción, se encuentra localizada desde el punto D hasta llegar al punto de
rotura efectiva E; observando la figura 3. En esta zona la deformación se halla
en una determinada sección de la probeta y a pesar de que disminuye la
fuerza de tensión termina con la rotura de la probeta. Esta sección de la
probeta, donde se localiza la deformación se reduce de forma drástica.
Numerosos metales como el acero, no muestra un proceso paulatino entre la
zona elástica y la zona plástica; más bien al momento de rebasar la zona
elástica, existe una zona conocida como zona de fluencia. Dicha zona consta
de dos límites: límite de fluencia superior y límite de fluencia inferior.
Figura 3. Zona plástica (Diagrama esfuerzo - deformación) (Fidalgo & Fernández, 2016)
ε
σ
O
A
B
C
D
E
Zona de
deformación
plástica localizada
Zona de
deformación
plástica uniforme
15
La zona de fluencia se localiza entre los puntos B y C, como se observa en la
figura 4. En este punto la probeta sufre una deformación bajo el sometimiento
de esfuerzos o tensiones fluctuantes.
La presencia de esta zona se debe a la aparición de impurezas y minerales.
En esta zona se muestran dos nuevas fuerzas de tensión.
Límite de fluencia superior (σ fs), es el punto de tensión máxima en el
inicio de la zona de fluencia.
Límite de fluencia inferior (σ fi), es el punto de tensión mínima en el final
de la zona de fluencia.
Con un ensayo de tensión se obtienen los siguientes datos:
Límite de proporcionalidad (σp): Es el punto más alto de tensión en la zona
elástica, que cumple con la Ley de Hooke; es decir a partir de este límite las
deformaciones ya no son directamente proporcionales con los esfuerzos o
tensiones aplicadas.
Límite de elasticidad (σe): Es la máxima fuerza de tensión, la cual no cumple
con la Ley de Hooke, y que al sobrepasar este límite las deformaciones son
irreversibles. Además, el valor de este límite es muy parecido al límite de
proporcionalidad; aunque resulta algo complicado para medirlo en el
transcurso de la práctica.
Límite de deformación permanente (σr): Este es un límite de fuerza de tensión,
que origina una deformación no proporcional con el esfuerzo sometido. Como
su nombre lo dice el cuerpo resulta con una deformación permanente a un
específico porcentaje de longitud.
Coeficiente de Poisson: Es la relación que existe entre la deformación
longitudinal y la deformación transversal, En la mayoría de materiales
empleados en la ingeniería, este coeficiente se encuentre en un rango que
comprende desde 0.2 hasta 0.5 (Mott, 2009).
Zona de fluencia
o cedencia
ε
σ
O
A
B
C
D
E
σ fs
σ fi
Figura 4. Zona de fluencia (Diagrama esfuerzo - deformación)
16
Módulo de Young (E): es la relación que existe entre la deformación y la
tensión que se aplica sobre una probeta, en el período de comportamiento
proporcional. Para su cálculo se usa la ecuación 4.
𝐸 =𝜎
𝜀=
𝐹𝐴
(𝑙𝑓 − 𝑙𝑜)𝑙𝑜
[4]
Donde:
E: Módulo de Young o módulo de elasticidad (Pa)
σ: Esfuerzo de tensión (Pa)
ε: Deformación unitaria
F: Fuerza aplicada (N)
A: Área transversal original (m2)
lf: Longitud final (m)
lo: Longitud inicial (m)
Alargamiento de rotura (A%): Es la deformación longitudinal que tiene la
probeta tras el ensayo de tracción. Se define como la variación de longitud
sobre la longitud inicial y todo esto por cien. Para conocer este dato se utiliza
la ecuación 5.
𝐴(%) =∆𝑙
𝑙𝑜=
𝑙𝑓−𝑙𝑜
𝑙𝑜× 100
[5]
Donde:
A: Alargamiento porcentual (%)
lf: longitud final (m)
lo: longitud inicial (m)
Estricción de rotura (Z%): Es la deformación transversal que sufre la probeta
en el momento del ensayo y se define como la variación de diámetro sobre el
diámetro inicial, y todo esto multiplicado por cien; siempre que se trate de
probetas cilíndricas. Para el diámetro final se debe tomar el valor más bajo.
Este valor se presenta de manera porcentual. Mediante la ecuación 6, es
posible encontrar la estricción de rotura de un elemento a construir o de igual
manera se lo necesita para el diseño de elementos.
𝑍(%) =∆𝑑
𝑑𝑜=
𝑑𝑓−𝑑𝑜
𝑑𝑜× 100
[6]
Donde:
Z: Estricción de rotura (%)
∆d: Variación de sección
df: diámetro final (m)
do: diámetro inicial (m)
17
Resistencia a la tracción (σr): La resistencia a la tracción viene a ser el máximo
punto de esfuerzo de tensión o tracción sometido a la probeta durante todo el
ensayo. Una probeta que sobrepase el límite de tracción se considera ya una
probeta con rotura, aunque físicamente no lo esté.
Resistencia a la rotura (σu): Es la tensión que soporta la probeta en el preciso
momento de la rotura. Su valor se aproxima a la resistencia de tracción,
siempre y cuando no exista estricción (reducción de sección).
Por otro lado, el tema de las probetas utilizadas por lo general en los ensayos
de tracción, tienen una sección constante y sin irregularidades. La mayoría de
estas probetas son cilíndricas, pero también rectangulares. Para el ensayo
de tracción las probetas pueden ser normalizadas o de caso contrario es de
tomar una muestra real del material a ensayar, esta segunda opción es muy
utilizada por las empresas que requieren un control de calidad. Lo que
respecta al uso de probetas de distinta dimensión, las cuales no se rigen ante
ninguna norma técnica.
En la figura 5, se presenta la geometría y medidas necesarias para lograr la
construcción de probetas normalizadas, las normas aplicadas para la posterior
construcción, son aplicadas según el tipo de material que se vaya a emplear
y según sea el ensayo a utilizar.
En el caso de probetas normalizadas (figura 5), la parte calibrada y con mayor
reducción de sección, se marcan los denominados “Puntos fijos de referencia”
a una longitud inicial determinada (Lo). La longitud debe estar entendida entre
Lo+ d 2⁄ y Lo+2d (d=diámetro de la probeta), en probetas de forma cilíndrica;
y en lo que se refiere a probetas rectangulares debe estar comprendida entre
Lo+1.5√So y Lo+2.5√So (Fidalgo & Fernández, 2016).
A
Figura 5. Probetas normalizadas; cilíndrica y rectangular (Fidalgo & Fernández, 2016)
C A
A
a B
Lf
Lo
B
d
So
So
18
En lo que se refiere a los extremos de las probetas, estas secciones cumplen
la función de sujeción. Estas secciones se las llama cabezas y aseguran que
la rotura de la probeta se localice justamente en la sección calibrada. Para la
construcción de una probeta se utiliza la ecuación 7.
𝑘 = 𝐿𝑜 √𝑆𝑜⁄
[7]
Donde:
K: Factor de proporcionalidad.
Lo: Longitud inicial (m)
So: Sección inicial (m2)
Un resultado que se obtiene con el ensayo de tensión, es la rotura de la
probeta, la cual se produce con la aplicación de esfuerzos de tensión. Los
materiales dúctiles, como es el caso de los aceros de uso automotriz,
producen un enconamiento; en el periodo de estricción se genera un gran
alargamiento; de igual manera se genera una gran zona plástica; por ultimo
existe una gran diferencia entre el valor del límite de proporcionalidad y el
valor del límite de rotura o fractura.
Como se mencionó anteriormente, para lograr una construcción correcta y que
todos los elementos a diseñar sean aptos para realizar un trabajo en
específico; se requiere de ecuaciones que permitan garantizar un buen diseño
y de esta manera obtener una máquina funcional.
Aplicando la ecuación número 8, es posible determinar el área de un circulo,
pero de igual manera con el diámetro se puede encontrar el área del círculo.
𝐴 = 𝜋 × 𝑟2 [8]
Donde:
A: Área (𝑚2)
π: Constante pi (3.1416)
r: Radio (m)
Mediante la ecuación 9, se obtiene el área de un rectángulo. Para establecer
el área rectangular de un elemento con perforaciones, se debe proceder a
obtener un área total, la cual se define como la diferencia que existe entre el
área del rectángulo y el área de las perforaciones.
𝐴 = (2 × 𝑎 × 𝑏) + (2 × 𝑎 × 𝑐) + (2 × 𝑏 × 𝑐) [9]
Donde:
A: Área (𝑚2)
a: Largo (m)
b: Ancho (m)
c: Espesor (m)
19
Utilizando la ecuación 10, se logra encontrar el área de una perforación
cilíndrica de plano recto.
𝐴 = [𝜋 × 𝐷 × (𝐷
2+ 𝑐)]
[10]
Donde:
A: Área (m2)
π: Constante pi (3.1416)
D: Diámetro (m)
c: Espesor (m)
El esfuerzo permisible permite garantizar que el material sometido a cargas,
se encuentre en el rango elástico y de esta manera el material no sufra de
deformaciones al retirar la carga. Mediante la ecuación 11, se obtiene el
esfuerzo permisible, el cual es aplicable en todos los elementos mecánicos,
que son factibles a construir.
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝜎𝑓𝑠
𝐹𝑆 [11]
Donde:
σperm: Esfuerzo permisible (MPa)
σfs: Resistencia a la fluencia (MPa)
FS: Factor de seguridad (Adimensional)
El esfuerzo máximo es la capacidad de mayor valor, que tiene un tipo de
material, para soportar ciertas cargas o esfuerzos antes de llegar al punto de
rotura o ya se al momento de fisura. Aplicando la ecuación 12, es posible
determinar el esfuerzo máximo.
𝜎𝑚á𝑥 = 𝐹𝑚á𝑥
𝐴
[12]
Donde:
σmáx : Esfuerzo máximo (MPa)
Fmáx: Carga máxima (MN)
A: Área (𝑚2)
El momento de inercia de un cilindro recto, muestra la distribución de todas
las masas del cuerpo respecto al eje de rotación. Mediante este cálculo se
comprueba el teorema de ejes paralelos. Utilizando la ecuación número 13,
es posible determinar el momento de inercia para un cilindro recto.
𝐼 = 𝜋 × 𝑟4
4
[13]
20
Donde:
I: Momento de inercia (𝑚4)
π: Constante pi (3.1416)
r: Radio (m)
El radio de giro se refiere a la distancia a partir del eje de giro hasta un punto
central, donde se concentre la masa total del cuerpo rígido. Con la aplicación
de la ecuación 14, es posible calcular el radio de giro.
𝑟𝑔 = √𝐼
𝐴
[14]
Donde:
rg: Radio de giro (m)
I: Momento de inercia (𝑚4)
A: Área (𝑚2)
La constante de columna, o relación de esbeltez de transición, permite
analizar el método más adecuado para la selección de una columna. Con la
ecuación 15, se define el mencionado dato.
𝐶𝑐 = √2 × 𝜋2 × 𝐸
𝜎𝑓𝑠
[15]
Donde:
Cc: Constante de columna (adimensional)
π: Constante pi (3.1416)
E: Modulo de Young (MPa)
σfs: Resistencia a la fluencia (MPa)
Aplicando una relación de esbeltez real, se consigue elegir entre dos métodos
para el diseño de una columna. Si se presenta una relación semejante a la
ecuación 16, es posible determinar que esta columna es larga; y para lo cual
se deberá dar uso de la ecuación de EULER. Caso contrario, se determina
que la columna es corta (ecuación de Johnson).
𝐶𝑝 <𝐾 × 𝐿
𝑟𝑔
[16]
Donde:
Cp: Constante de pilastra (adimensional)
K: Constante longitud efectiva (1)
L: Longitud pilastra (L)
rg: Radio de giro (m)
21
También conocida como carga de pandeo de EULER y cuyo concepto se
centra en la máxima carga axial que puedo soportar una columna sin que se
produzca pandeo de la misma. Para su cálculo es usa la ecuación 17.
𝐹𝑐𝑟 =
[ 𝜋2 × 𝐸 × 𝐴
(𝐾 × 𝐿𝑟𝑔 )
2
]
[17]
Donde:
Fcr: Fuerza critica (KN)
π: Constante pi (3.1416)
E: Modulo de Young (MPa)
A: Área cilíndrica (𝑚2)
K: Constante longitud efectiva (1)
L: Longitud pilastra (L)
rg: Radio de giro (m)
La fuerza admisible menciona a la seguridad que puede encontrarse en un
cuerpo ante las no deformaciones; por tal motivo esta debe ser menor a la
fuerza de funcionamiento. Para ello se da uso de la ecuación 18.
𝐹𝑎𝑑 = 𝐹𝑐𝑟
𝐹𝑆
[18]
Donde:
Fad: Fuerza admisible (KN)
Fcr: Fuerza critica (KN)
FS: Factor de seguridad (Adimensional)
También se la conoce como fuerza segura y se refiere a la carga máxima real
que soporta un cuerpo. Aplicando la ecuación 19 es posible obtener un valor
de fuerza permisible de un elemento.
𝐹𝑝𝑒𝑟 = 𝜎𝑝𝑒𝑟 × 𝐴 [19]
Donde:
Fper: Fuerza permisible (KN)
σper: Esfuerzo permisible (MPa)
A: Área total (𝑚2)
Las normas técnicas tienen una gran importancia, ya que los ensayos de
tensión se encuentran normalizados; para que de esta manera existan
patrones de medición. Se deben tomar en cuenta, tanto normas técnicas
nacionales; así como normas técnicas internacionales. Existen normas para
ensayos de tensión, debido a que estas se rigen a estudios ya realizados.
22
Las normas técnicas vigentes aplicadas en Ecuador, son las normas INEN
(Instituto Nacional Ecuatoriano de Normalización). Estas normas establecen
todos los parámetros que se deben cumplir. Este proyecto da uso de la norma
NTE INEN 109:2009 (Ensayo de Tracción para Materiales Metálicos a
Temperatura Ambiente), esta norma es la más actualizada y se basa en todo
lo referente al uso de ensayos de tensión o tracción para todo tipo de metal.
En lo que respecta a normas internacionales para ensayos de tensión, existen
una variedad de normas que se deben aplicar para pruebas tracción; pero la
más relevante entre todas son las normas ASTM (Sociedad Americana para
el Ensayo y Materiales). Para este proyecto se empleó la norma ASTM - A370
(Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel
Products), ya que se centra en ensayos de tracción únicamente para aceros.
2. METODOLOGÍA
23
2. METODOLOGÍA
Para el desarrollo de este trabajo de titulación, se requirió el uso de varios
métodos de investigación. Para el mejor desenvolvimiento y obtener la
apertura necesaria de personas entendidas sobre los ensayos de tracción
aplicados a los metales; para ello se realizó una división entre todos los
métodos que se podrá implantar ante este trabajo de titulación.
La unión de varios métodos, garantizaron el buen desarrollo, para elaborar el
proyecto del diseño y construcción de un banco de ensayo de tensión para
aceros de uso automotriz. A continuación, se han desglosado los diferentes
puntos que aportaron para la elaboración del mencionado trabajo, de manera
sistemática.
Se realizó la recopilación y estudio de numerosas fuentes de información que
propongan veracidad y un buen entendimiento para la elaboración del trabajo
de titulación. Las fuentes de información, fueron libros actualizados, revistas
científicas, artículos científicos y la aportación del internet; entre las más
utilizadas. Mediante esta investigación bibliográfica se adquirió fundamentos
teóricos adecuados para el diseño y construcción estructural del banco de
ensayos de tensión para aceros de uso automotriz.
Se utilizó la recolección de datos técnicos, por ejemplo, resistencia a la
tracción, límite de fluencia y módulo de elasticidad; de todos los componentes,
que se obtuvieron a través del diseño; se logró construir una máquina que
cumpla con todas las funciones necesarias para obtener un resultado eficaz.
Durante el diseño se aplicaron conocimientos referentes a la resistencia de
materiales, para lo cual se emplearon diferentes ecuaciones matemáticas, las
mismas que garantizaron el correcto funcionamiento de todos los elementos
mecánicos construidos.
De una manera breve, para el diseño de las pilastras superiores se tomó en
cuenta cálculos matemáticos, como fueron: el área de un circulo descrita por
la ecuación numero 8, el esfuerzo permisible definida por la ecuación 11 y por
último la ecuación 12 para encontrar el esfuerzo máximo. Referente al diseño
de las pilastras inferiores, optó por la teoría de columnas largas y esbeltas
establecida por el matemático EULER; para cumplir con esta teoría se
necesitó de las siguientes ecuaciones: La ecuación 8, de igual manera el
momento de inercia establecida con la ecuación 13, también es necesario la
ecuación para calcular el radio de giro 14, otra ecuación ejecutada fue la de
constante de columna 15, también se usó la ecuación 16 de relación de
esbeltez real, con la ecuación 17 se determinó fuerza permisible y para
finalizar se utilizó la ecuación 18 para determinar la fuerza admisible. Para
concluir esta fase se emplearon ecuaciones para el diseño de las placas
metálicas, las mismas que vienen a ser: la ecuación 9 destinada al cálculo de
áreas rectangulares, también se usó la ecuación 10 para determinar áreas de
24
perforaciones y de la ecuación 19 referida a la fuerza permisible que debe ser
capaza de soportar un elemento mecánico
Finalmente se realizó pruebas operacionales de la máquina de ensayos de
tensión, donde se logró obtener mediciones de la resistencia a la tracción,
carga máxima registrada, límite de fluencia y el porcentaje de elongación;
acerca de la probeta de acero que fue ensayada. Los valores registrados se
analizaron con otros resultados obtenidos con una prueba de tensión
realizada en una maquina universal de tensión en la Escuela Politécnica
Nacional
Por otra parte, fue indispensable resaltar que el trabajo en mención, tuvo en
referencia una línea de investigación propia de la carrera de ingeniería
automotriz. La línea de investigación de la carrera, se centra en el diseño y
análisis de prototipos, con materiales de diversas propiedades para el uso en
el sector automotriz. Razón por la cual fue necesario tener conocimientos
previos sobre el tema de resistencia de materiales, ya que este tema se
involucra para realizar este trabajo.
Los materiales y herramientas, que se emplearon en el diseño y construcción
del banco de pruebas de tensión, se detalla en la tabla 3.
Tabla 3. Materiales y herramientas para el desarrollo de la máquina
MATERIAL/HERRAMIENTA APLICACIÓN
Normas Técnicas Diseño
Acero ASTM A-36 Diseño y construcción
Acero AISI - SAE 1018 Diseño y construcción
Software AutoCAD Diseño
Software SolidWorks Diseño
Máquina Fresadora Construcción
Máquina Torno Construcción
Mordazas de ajuste Construcción
Gata hidráulica Construcción
Probeta ASTM A-370 Diseño y construcción
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
25
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. DISEÑO DE LA PROBETA
Para la construcción de la probeta se proveerá de un perfil de acero, para
posteriormente dar paso a su mecanizado y todo según las normas que rigen
la ASTM (Sociedad Americana para el Ensayo y Materiales). El mecanizado,
se lo realiza cumpliendo con la norma ASTM A-370 para probetas
rectangulares de acero y con el equipo necesario; logrando así una probeta
sin irregularidades y según las exigencias establecidas.
El acero de uso automotriz que se emplea, es uno de los más usados para la
fabricación de perfiles estructurales en vehículos; teniendo su aplicación en la
construcción de bastidores. Este acero con ciertos datos mecánicos, se lo
presenta en la siguiente tabla 4.
Tabla 4. Características mecánicas del acero ASTM A36
TIPO DE ACERO DATOS MECÁNICOS
ASTM A36
Resistencia a la tracción 400 – 550 [Mpa]
Límite de fluencia 250 [Mpa]
Módulo de Young 250 [Mpa]
Elongación 18%
(Fidalgo & Fernández, 2016)
El acero ASTM A36 es uno de los más utilizados por la industria automotriz,
para la fabricación de vehículos; debido a que su adquisición es de mayor
facilidad y también de menor costo. Este acero otorga una buena resistencia
a la tensión y a la compresión (Fidalgo & Fernández, 2016). A continuación,
en la figura 6, se presenta las dimensiones de la probeta en milímetros.
Figura 6. Dimensiones de una probeta bajo la norma ASTM A-370
La dimensión Lo=50 indicada en la figura 6, hace referencia a la longitud inicial
que es señala para calcular la elongación tras un ensayo de tracción.
El mecanizado de esta probeta rectangular se efectuará en la Escuela
Politécnica Nacional. Para garantizar un buen ensayo, la probeta no debe
sufrir de torceduras o algún tipo de irregularidad.
26
3.2. DISEÑO DEL BANCO DE ENSAYO DE TENSIÓN
Para el diseño y posterior construcción, se han establecido tres puntos, que
deben cumplir con la preparación del banco de ensayo de tensión. Este trabajo
se centra en ensayos de tensión a probetas normalizadas de acero de uso
automotriz. La máquina debe ser capaz de suministrar el esfuerzo de tracción
necesario para provocar la rotura de la probeta, por ello es indispensable
contar con un mecanismo que administre la fuerza, de igual manera un buen
sistema de sujeción e indicadores de medición.
3.2.1. DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS DE LA MÁQUINA
Los elementos mecánicos, son la parte más esencial del proyecto, ya que sus
elementos comprenden más o menos un setenta por ciento en la totalidad de
la máquina. Su diseño se lo realiza con base a la fuerza de funcionamiento.
La fuerza de funcionamiento será suministrada por un gato hidráulico que
proporciona una carga de 12 tonelada (118KN), en el sistema internacional.
En la figura 7 se presentan los elementos mecánicos.
Figura 7. Vista frontal de la parte mecánica del banco de ensayo
La selección de la carga se establece en base al tipo de acero de la probeta;
en este caso la carga aplicada de 12 ton (118KN) cumple con la fuerza
necesaria para realizar pruebas de tracción en una probeta ASTM A36, e
incluso para tipos de aceros con mayor resistencia a la tracción.
T T
C2
P1 C1 P2
P5 - P6P3 - P4
C4
T
T T
T T
C3
T
27
En la tabla 5, se presenta la descripción de la simbología utilizada en la figura
7; y de esta manera definir cada uno de los elementos mecánicos
Tabla 5. Descripción de simbología de la figura 7
DESCRIPCIÓN SIMBOLOGÍA CANTIDAD ADQUISICIÓN
Placa metálica C1 1 Construcción
Placa metálica C2 1 Construcción
Placa metálica C3 1 Construcción
Placa metálica C4 1 Construcción
Pilastra superior P1 1 Construcción
Pilastra superior P2 1 Construcción
Pilastra inferior P3 1 Construcción
Pilastra inferior P4 1 Construcción
Pilastra inferior P5 1 Construcción
Pilastra inferior P6 1 Construcción
Tuercas de unión T 12 Compra
En la figura 8, se aprecia el sentido de las fuerzas que se aplican, una vez que
la máquina entre en funcionamiento de manera satisfactoria.
Figura 8. Vista lateral de la parte mecánica del banco de ensayo
Conociendo los elementos mecánicos y la carga de funcionamiento de 12
toneladas o 118 KN. Se logra justificar dicha carga mediante el análisis de
ecuaciones, demostrando que la fuerza es propicia para realizar ensayos de
tracción con aceros de alta resistencia.
F1
F2 F2
F1
F2 F2
28
3.2.1.1. Diseño de pilastras superiores (P1, P2)
Para el diseño de las pilastras superiores, se emplea un acero de transmisión
AISI - SAE 1018; se ha seleccionado este acero debido a su buena resistencia
y cualidades ante las exigencias al desgaste. Cabe resaltar que las pilastras
P1 y P2, tienen la misma forma y dimensiones; es decir son completamente
idénticas. Como se mencionó anteriormente, la carga aplicada será de 118
KN, la misma que se dividirá para las dos pilastras. Para conocer las
dimensiones de estos elementos, se debe usar ciertas ecuaciones y así
obtener la fuerza máxima que soportan
En el diseño de estos elementos, se incorpora un factor de seguridad mayor
que 1, y garantice un buen funcionamiento. Al aplicar un factor de seguridad
y un esfuerzo de fluencia se obtiene un esfuerzo permisible. Se comprueba el
buen diseño, tomando en consideración que el esfuerzo permisible debe ser
mayor a la fuerza máxima.
Datos:
Eje de acero AISI - SAE 1018
E: 205000 MPa
σ fs: 370 MPa
Longitud: 0.65 m
Radio: 0.03 m
FS: 2
Cálculos:
El cálculo del área de la pilastra es el primer paso a seguir y para ello, se
utiliza la ecuación 1.
𝐴 = 𝜋 × 𝑟2
𝐴 = 𝜋 × (0.03 𝑚)2
𝐴 = 0.00283 𝑚2
A continuación, se prosigue con el cálculo del esfuerzo permisible que soporta
el acero; mediante la resistencia a fluencia y se usa la ecuación 11.
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝜎𝑓𝑠
𝐹𝑆
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 370 𝑀𝑃𝑎
2
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 185 𝑀𝑃𝑎
El último paso, es buscar el esfuerzo máximo; este dato permite determinar si
el elemento a construir soporta la fuerza o carga de funcionamiento que
comprende los 118KN.
29
Para el cálculo del esfuerzo máximo es necesario usar la ecuación 12.
𝜎𝑚á𝑥 = 𝐹𝑚á𝑥
𝐴
𝜎𝑚á𝑥 = 118 𝐾𝑁
0.00283 𝑚2
𝜎𝑚á𝑥 = 41696.11 𝐾𝑃𝑎
𝜎𝑚á𝑥 = 41.69 𝑀𝑃𝑎
El esfuerzo permisible es mayor al esfuerzo máximo generado cuando al
equipo se aplica una carga de 118 KN, es decir las pilastras funcionan de
manera adecuada. En la figura 9, se observa el diseño de las pilastras P1 y
P2, con la geometría establecida y con todas sus dimensiones en milímetros.
Figura 9. Dimensiones de las pilastras superiores P1 y P2
3.2.1.2. Diseño de pilastras inferiores (P3, P4, P5, P6)
Debido a que las pilastras inferiores son de una longitud considerable, se
demuestra si en necesario utilizar la ecuación de Euler.
Datos:
Eje de acero AISI - SAE1018
r: 0.02 m
K: 1
L: 0.85 m
E: 205000 MPa
σ fs: 370 MPa
FS: 1.92 (Pilastras largas)
Cálculos:
Se calcula el área de la pilastra, ya que este dato se emplea más adelante y
se utiliza la ecuación 1.
𝐴 = 𝜋 × 𝑟2
𝐴 = 𝜋 × (0.02 𝑚)2
𝐴 = 0.00126 𝑚2
55
595
650
Ø 6
0
Ø 2
7
30
Con la ecuación 13, se calcula la inercia del elemento.
𝐼 = 𝜋 × 𝑟4
4
𝐼 = 𝜋 × (0.02 𝑚)4
4
𝐼 = (1.26 × 10−7) 𝑚4
Se calcula el radio de giro, mediante la ecuación 14.
𝑟𝑔 = √𝐼
𝐴
𝑟𝑔 = √(1.26 × 10−7) 𝑚4
0.00126 𝑚2
𝑟𝑔 = 0.01 𝑚
La relación de esbeltez se calcula con la ecuación 15.
𝐶𝑝 = √2 × 𝜋2 × 𝐸
σ fs
𝐶𝑝 = √2 × 𝜋2 × (199947.96 MPa)
686.28 MPa
𝐶𝑝 = 75.84
Siguiendo los pasos anteriores es posible analizar la relación de esbeltez real,
determinando el tipo de columna y es necesario usar la ecuación 16
𝐶𝑝 <𝐾 × 𝐿
𝑟𝑔
75.84 <1 × 0.85 𝑚
0.01 𝑚
75.84 < 85
Tomando en consideración la relación, se establece que las pilastras
inferiores son largas y por consiguiente se utiliza la ecuación 17.
𝐹𝑐𝑟 =
[ 𝜋2 × 𝐸 × 𝐴
(𝐾 × 𝐿𝑟𝑔 )
2
]
31
𝐹𝑐𝑟 = [ 𝜋2 × 205000 𝑀𝑃𝑎 × 0.00126 𝑚2
852]
𝐹𝑐𝑟 = 350 𝑘𝑁
Por último, se usa la ecuación 18, para conocer la fuerza admisible.
𝐹𝑎𝑑 = 𝐹𝑐𝑟
𝐹𝑆
𝐹𝑎𝑑 = 350 𝑘𝑁
1.92
𝐹𝑎𝑑 = 182.29 𝑘𝑁
Para la construcción del banco de ensayo de tensión, se ha destinado 4
pilastras inferiores de las mismas dimensiones y geometría; por lo tanto, la
fuerza aplicada de funcionamiento se distribuirá uniformemente, teniendo que
soportar cada pilastra 29.5 kN (3 Toneladas). Por lo tanto, se logra apreciar
que la resultante de la fuerza admisible es superior a la fuerza con la que
funcione y así garantizar el funcionamiento de estos elementos. En la figura
10, se presentan las dimensiones en milímetros de las pilastras.
Figura 10. Dimensiones de las pilastras inferiores
3.2.1.3. Diseño de las placas metálicas (C1, C2)
En la figura 11 se presentan las dimensiones en milímetros de las placas.
Figura 11. Dimensiones de las placas metálicas C1 y C2
55
745
800
Ø40
Ø 2
7
55
325
380
30
150
75
R13,5
32
El diseño de las placas metálicas se lo realiza con referencia a otras
máquinas, pero también estableciendo la fuerza de diseño de 118 kN.
Las placas C1 y C2 son idénticas, por lo cual se realiza los cálculos para una
de ellas. Estas placas se acoplan con las pilastras superiores P1 y P2 por
medio de una unión roscada la cual se especifica más adelante.
Datos:
Placa de acero ASTM - A36
σ fs: 248 MPa
D: 0.027 m
a: 0.38 m
b: 0.15 m
c: 0.03 m
FS: 2
Cálculos:
En primer lugar, se calcula el esfuerzo permisible mediante la utilización de la
ecuación 11.
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝜎𝑓𝑠
𝐹𝑆
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 248 𝑀𝑃𝑎
2
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 124 𝑀𝑃𝑎
Para conocer el área total, se calcula el área de la placa metálica usando la
ecuación 9.
𝐴𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 = (2 × 𝑎 × 𝑏) + (2 × 𝑎 × 𝑐) + (2 × 𝑏 × 𝑐)
𝐴𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 = 2[(0.38 × 0.15) + (0.38 × 0.03) + (0.15 × 0.03)]
𝐴𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 = 0.1468 𝑚2
Continuando con la obtención del área total, también se debe conocer el valor
del área de perforación, donde se utiliza la ecuación 10.
𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 = [𝜋 × 𝐷 × (𝐷
2+ 𝑐)] 𝑥2
𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 = [𝜋 × 0.027 × (0.027
2+ 0.03)] × 2
𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 = 0.00738 𝑚2
El área total, está establecida por la diferencia entre el área de la placa
metálica y el área de las perforaciones.
33
𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐴𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 − 𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠
𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.1468 − 0.00738
𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.1394 𝑚2
Para finalizar, se calcula la fuerza máxima permisible que debe soportar las
placas metálicas (C1 y C2), para lo cual se emplea la ecuación 19.
𝐹𝑝𝑒𝑟 = 𝜎𝑑 × 𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐹𝑝𝑒𝑟 = 124 𝑀𝑃𝑎 × 0.1394 𝑚2
𝐹𝑝𝑒𝑟 = 17.28 𝑀𝑁
Se determina que la fuerza permisible, es mayor que la de funcionamiento y
por lo tanto se deduce que los elementos están correctamente diseñados.
3.2.1.4. Diseño de la placa metálica C3
A continuación, se presenta la figura 12, con la geometría y dimensiones
establecidas en milímetros, con lo cual se diseña la placa metálica.
Figura 12. Dimensiones de la placa metálica C3
El diseño de la placa metálica C3, tiene similitud con la placa metálica C4;
pero con la única variante de que la placa C3 debe contar con dos
perforaciones para las pilastras P1 y P2, ya que estas atraviesan por la
mencionada placa metálica.
Para realizar el diseño se ha estudiado a otros equipos que brinden ensayos
de tracción y de esta definir las dimensiones que debe tener este elemento
mecánico. El material a emplear es un acero ASTM A-36, debido a sus buenas
propiedades mecánicas.
R13,5
190
R30
4601257
5
175
250
30
75
575
650
34
Datos:
Placa de acero ASTM - A36
σfs: 248 MPa
D: 0.027 m
d: 0.06 m
a: 0.65 m
b: 0.25 m
c: 0.03 m
FS: 2
Cálculos
De la misma manera que se diseñaron las placas C1 y C2, primero se calcula
el esfuerzo de diseño con la ecuación 11.
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝜎𝑓𝑠
𝐹𝑆
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 248 𝑀𝑃𝑎
2
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 124 𝑀𝑃𝑎
Lo siguiente es realizar los cálculos necesarios para obtener el área total; para
lo cual se debe encontrar el área de la placa metálica y para efectuar este
cálculo se dispone de la ecuación 9.
𝐴𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 = (2 × 𝑎 × 𝑏) + (2 × 𝑎 × 𝑐) + (2 × 𝑏 × 𝑐)
𝐴𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 = 2[(0.65 × 0.25) + (0.65 × 0.03) + (0.25 × 0.03)]
𝐴𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 = 0.379 𝑚2
Con la ecuación 10 se calcula el área de perforaciones.
𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐷 = [𝜋 × 𝐷 × (𝐷
2+ 𝑐)] 𝑥4
𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐷 = [𝜋 × 0.027 × (0.027
2+ 0.03)] × 4
𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐷 = 0.0148 𝑚2
𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑 = [𝜋 × 𝐷 × (𝐷
2+ 𝑐)] 𝑥2
𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑 = [𝜋 × 0.06 × (0.06
2+ 0.03)] × 2
𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑 = 0.0226 𝑚2
Para conocer el área total de la placa, es necesario realizar la diferencia entre
área de la placa y el área de las perforaciones.
35
𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐴𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 − 𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐷 − 𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑
𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.379 − 0.0148 − 0.0226
𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.3416 𝑚2
Una vez calculada el área total de la placa metálica, se continua por encontrar
la fuerza máxima permisible, donde se usa la ecuación 19.
𝐹𝑝𝑒𝑟 = 𝜎𝑑 × 𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐹𝑝𝑒𝑟 = 124 𝑀𝑃𝑎 × 0.3416 𝑚2
𝐹𝑝𝑒𝑟 = 17.28 𝑀𝑁
Se logra apreciar que la fuerza permisible que aporta este elemento, es mayor
que la fuerza de funcionamiento; por lo tanto, se garantiza un adecuado
funcionamiento de la placa metálica C3.
3.2.1.5. Diseño de la placa metálica C4
El diseño de la placa metálica C4 es muy parecido al diseño de la placa C3,
como menciono anteriormente. Esta placa metálica se une con las pilastras
inferiores, y con la placa C3, de forma paralela. Se presenta a continuación la
figura 13 con el diseño del elemento C4, en milímetros.
Figura 13. Dimensiones de la placa metálica C4
Para realizar el diseño de esta placa metálica es necesario conocer el tipo de
acero con el cual se toma toda la información necesaria para poder realizar
los cálculos que afirmen un correcto desempeño de este elemento.
Cabe recalcar que la geometría y dimensionamiento, se lo ha realizado
tomando en cuenta otras máquinas que se desempeñen realizando ensayos
de tracción y no obstante la fuerza que se ejercerá en la máquina.
30
75
575
650
75
17
5
25
0
R13,5
36
Con la ayuda de estas dimensiones, se procederá a comprobar si este diseño
es apto para soportar la fuerza de funcionamiento.
Datos:
Placa de acero ASTM - A36
Resistencia a la fluencia (σ fs): 248 MPa
Diámetro de perforaciones de roscado (D): 0.027 m
Largo (a): 0.65 m
Ancho (b): 0.25 m
Espesor (c): 0.03 m
Factor de seguridad (FS): 2
Cálculos:
Los cálculos para el diseño de este elemento, se realiza del mismo modo de
la placa C3, debido a su gran similitud. Es por ello que se da uso de la
ecuación 11 para el esfuerzo permisible.
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝜎𝑓𝑠
𝐹𝑆
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 248 𝑀𝑃𝑎
2
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 124 𝑀𝑃𝑎
El siguiente paso es calcular el área total que tiene la placa metálica; donde
se ocupa la ecuación 9 para el área rectangular de la placa.
𝐴𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 = (2 × 𝑎 × 𝑏) + (2 × 𝑎 × 𝑐) + (2 × 𝑏 × 𝑐)
𝐴𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 = 2[(0.65 × 0.25) + (0.65 × 0.03) + (0.25 × 0.03)]
𝐴𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 = 0.379 𝑚2
Se calcula el área de las perforaciones, con el uso de la ecuación 10.
𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 = [𝜋 × 𝐷 × (𝐷
2+ 𝑐)] 𝑥4
𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 = [𝜋 × 0.027 × (0.027
2+ 0,03)] × 4
𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 = 0.0148 𝑚2
Con el área de la placa metálica y el área de las perforaciones, se procede a
realizar la resta del área de estas perforaciones.
𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐴𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 − 𝐴𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠
𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.379 − 0.0148
𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.3642 𝑚2
37
Finalmente, se procede a encontrar la fuerza máxima permisible, con la
ecuación 19.
𝐹𝑝𝑒𝑟 = 𝜎𝑑 × 𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐹𝑝𝑒𝑟 = 124 𝑀𝑃𝑎 × 0.3642 𝑚2
𝐹𝑝𝑒𝑟 = 45.16 𝑀𝑁
Con la obtención de este cálculo, se llega a asegurar que la placa metálica C4
funcione de manera correcta; debido a que esta fuerza permisible le supera a
la fuerza de funcionamiento.
3.2.1.6. Diseño de la sección roscada de las pilastras
El diseño del roscado de las pilastras, se lo realiza con el único propósito de
lograr la unión de ciertos elementos del banco de ensayo. El roscado se lo
realizó en ambos extremos de las pilastras superiores e inferiores. A
continuación, se presenta la figura 14, con un esquema del roscado.
Figura 14. Esquema del roscado de las pilastras superiores
Como se aprecia en la figura 14, el roscado es influenciado por el diseño de
las placas metálicas, debido a que es necesario conocer el espesor de la
placa, para dimensionar la longitud total de la junta.
Para diseñar esta sección de las pilastras, se inicia asignando el valor del
diámetro nominal (dn). Este diámetro se lo ha definido con referencia a las
especificaciones de una rosca métrica M27. Seguidamente se define la
longitud roscada (Lr); para esta medida se ha considerado la altura que
comprende una tuerca M27, tratando que dicha longitud no sobrepase por
mucho la altura de la tuerca.
Lr
Lv
dnL
j
38
Finalmente, la longitud del vástago (Lv), que tiene el mismo espesor de las
placas. La forma y el dimensionamiento de esta sección de la pilastra, se la
presenta en la figura 15, en unidades milimétricas.
Figura 15. Dimensiones la sección roscada de las pilastras.
3.2.1.7. Selección de las tuercas
Las tuercas, se utilizan para la unión de las pilastras con las placas metálicas;
por lo cual, estas deben ser seleccionadas de acuerdo a los requerimientos
de sujeción. Tomando en referencia que la sección roscada de todas las
pilastras, están diseñadas en base a un perno M27; se ha seleccionado una
tuerca acorde a la sección roscada. Cabe mencionar que dicho elemento, se
lo adquiere; y no es necesaria la construcción.
3.2.2. SELECCIÓN DE ELEMENTO GENERADOR DE FUERZA
El elemento generador de fuerza para el funcionamiento, viene a ser un
elemento de accionamiento manual; este elemento es un gato hidráulico tipo
botella. En la figura 16, se aprecia un gato hidráulico de 12 toneladas.
Figura 16. Gato hidráulico de botella con manómetro
25 30
55
M27
39
El gato hidráulico funciona con el principio de Pascal, el cual establece que la
presión generada por un fluido, se transmite de manera uniforme por todos los
puntos de un recipiente cerrado.
Para el mencionado trabajo, diseño y construcción de un banco de ensayo de
tensión para aceros de uso automotriz; se escogió un gato hidráulico de
botella, que tiene la capacidad de 12 toneladas o 118 KN. Se seleccionó este
elemento tomando en consideración la resistencia a la tracción que soporta
una probeta de acero ASTM A36 e incluso para probetas rectangulares de
aceros de mayor resistencia que la del acero ASTM A36.
La función que cumple este elemento es la de lograr estirar o alargar la
probeta, mediante el acople de los elementos mecánicos, y de esta manera
conseguir la rotura de la probeta rectangular.
3.2.3. SELECCIÓN DE ELEMENTOS DE SUJECIÓN
Para conseguir el ajuste de la probeta y someterla a fuerzas de tracción; se
optó por dispositivos que generen un gran ajuste, evitando que seda la probeta
al aplicar la carga. Para ello se ha seleccionado tornillos de banco o también
conocidas como entenallas, estos tornillos de banco tienen un buen agarre en
materiales planos. El banco de ensayos de tensión requiere de dos de estos
elementos con dimensiones semejantes.
Un dato característico de este dispositivo, es su tamaño de tres pulgadas; este
tamaño se seleccionó de acuerdo a las dimensiones de las placas en las
cuales se van a montar.
Se debe mencionar que el acople de estos elementos es mediante un ajuste
por perno y tuerca, según indiquen los orificios de empotramiento. A
continuación, se presenta la figura 17 de un tornillo de banco.
Figura 17. Tornillo de banco de 3 pulgadas
40
3.2.4. SELECCIÓN DE ELEMENTOS DE MEDICIÓN
Los elementos de medición seleccionados son los siguientes.
3.2.4.1. Manómetro de presión
Un manómetro de presión es un dispositivo que permite obtener mediciones
sobre la presión que se ejerce en el ensayo de tracción. Mediante este dato
más el área de la probeta es factible calcular la fuerza de tracción. En la figura
18, se logra visualizar un manómetro de presión.
Figura 18. Manómetro de presión relativa
3.2.4.2. Calibrador Vernier
Un calibrador VERNIER, es un instrumento que permite obtener mediciones
en gran precisión de longitud en unidades milimétricas o en pulgadas.
También conocido como calibrador pie de rey, este instrumento permite medir
el alargamiento que sufre la probeta y con este valor se calcula deformación
unitaria. En la figura 19, se presenta un calibrador Vernier.
Figura 19. Calibrador Vernier
41
3.3. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE ENSAYO
La construcción de los elementos mecánicos, que constituyen la máquina para
ensayos de tracción; se realiza a través de un proceso relevante que asegure
un buen acabado y funcionalidad. Cabe recalcar que la construcción de la
probeta se realiza según las normas ya establecidas. El proceso de
construcción de la máquina, se lo menciona en el anexo 1; en la figura 20 se
presenta la máquina totalmente construida.
Figura 20. Construcción del banco de ensayos
3.4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Las pruebas de funcionamiento son indispensables para comprobar el
comportamiento de la máquina y analizar los resultados del ensayo, donde se
puede encontrar las fallas existentes en la construcción de la máquina y la
puesta a punto. Se optó por realizar un ensayo de tensión en una máquina
universal. Lo que se busca con esta prueba, es comparar los valores; y tener
resultados confiables. En la figura 21, se observa una prueba de operación.
Figura 21. Prueba de funcionamiento del banco de ensayo
42
3.4.1. RESULTADOS OBTENIDOS CON EL BANCO DE ENSAYOS
Con la completa construcción y montaje de la máquina de ensayos de tensión
para aceros de uso automotriz; se procede a realizar la prueba de tensión,
dando como resultado los datos presentados en la tabla 6.
Tabla 6. Resultados del ensayo de tensión con la máquina construida
Material Carga máxima
Registrada
Límite de
fluencia
Resistencia a
la tracción
%
Elongación
en 50 mm Acero
ASTM A36 lbf N Ksi MPa ksi MPa
11243 50013 43.87 302.50 71.47 492.74 42.15
En esta prueba de tracción, la probeta ensayada presentó un ancho y espesor
promedio de 40.60 mm y 2.50 mm respectivamente, mediante estos datos se
obtiene el área final de la probeta; y posteriormente se calcula la resistencia a
la tracción. Además, el área inicial de la probeta fue de 165.33 mm2. Para
determinar la elongación producida en la probeta se realizó una regla de
proporción entre la longitud inicial señalada de 50 mm, establecida por la
norma ASTM A370; y la longitud final que fue de 71.08 mm.
La longitud final se mide tomando de referencia las señales o puntos
colocados de 50 mm, según lo dicta la norma ASTM A370; esta medida varía
según sea la forma y dimensión que tenga la probeta.
3.4.2. RESULTADOS OBTENIDOS CON LA MÁQUINA UNIVERSAL
Para este ensayo se necesitó una probeta similar a la realizada en el banco
de ensayos de tensión. Además, esta prueba se la hizo en la EPN, dando
constancia y veracidad de los siguientes datos; y se detallan en la tabla 7.
Tabla 7. Resultados del ensayo con la máquina universal de la EPN
Material Carga máxima
Registrada
Límite de
fluencia
Resistencia a
la tracción
%
Elongación
en 50 mm Acero
ASTM A36 lbf N Ksi MPa Ksi MPa
10986 48868 43.19 297.77 68.75 474.01 40.62
Para esta prueba de tracción, la probeta ensayada presentó un ancho
promedio de 40.75 mm y un espesor promedio de 2.53 mm.
3.4.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Como se logra apreciar en la tabla 7, resultados del ensayo de tensión,
emitidos la Escuela Politécnica Nacional. Se observa que en comparación con
los resultados obtenidos por la máquina construida no difiere en gran medida
y presentan valores aceptables en cuanto al ensayo.
43
Por lo tanto, se deduce que el banco de ensayos construido funciona
correctamente. Para constatar unos resultados veraces, en lo que respecta a
un ensayo de tensión de un acero ASTM - A36, se debe tomar en cuenta los
requerimientos mínimos de dicho acero. A continuación, se muestra en la
tabla 8 los requerimientos mencionados.
Tabla 8. Requerimientos mínimos del acero ASTM A-36
Límite de fluencia
(min)
Resistencia a la
tracción (min)
Elongación en 50 mm
(min)
Ksi MPa Ksi MPa %
36 250 58 400 23
(Cabrera, 2013)
Analizando los valores de la tabla 8 se comprueba que los resultados
obtenidos en un ensayo de tensión de un acero ASTM A-36, con la máquina
construida; son mayores a los indicados en la 8, el ensayo está correcto.
Cabe resaltar que ningún ensayo de tensión presentan los mismos resultados,
así se lo realice en la misma máquina de ensayos o bien sea con materiales
semejantes.
3.4.4. DIAGRAMA ESFUERZO–DEFORMACIÓN UNITARIA DEL ACERO
ASTM A36
Se empleó un software, para realizar un estimado en cuanto al trazado de la
curva. En la figura 22 se presenta la curva, donde la curva trazada de color
rojo se refiere al ensayo realizado con la maquina construida; mientras que la
curva de color azul es el ensayo realizado en la EPN.
Figura 22. Diagrama esfuerzo – deformación unitaria de los resultados
474 MPa
492,7 MPa
0
100
200
300
400
500
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125 0,15 0,175 0,2 0,225 0,25 0,275 0,3 0,325 0,35
Esfu
erz
o (
MP
a)
Esfu
erz
o (
Ksi
)
Deformación
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
44
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 CONCLUSIONES
Tras la culminación del proyecto de diseño y construcción de un banco de
ensayos de tensión para aceros de uso automotriz, se presentan las
siguientes conclusiones:
Al realizar cálculos matemáticos para garantizar el funcionamiento
adecuado de los elementos mecánicos, se indica que el esfuerzo
admisible es mayor al esfuerzo máximo de funcionamiento de 118kN.
Los elementos dimensionados no presentan fallas, debido a que en su
diseño se incorporó un alto factor de seguridad (FS=2), lo cual afianza un
buen diseño y una construcción bastante segura.
La carga axial de trabajo del equipo es de 12 tons. (118 kN), la misma que
permite trabajar con probetas rectangulares de acero ASTM A-36 y
también con aceros de alta resistencia como el acero ASTM A-242.
Los valores medidos de resistencia a la tracción (492.74 MPa) y el límite
de fluencia (302.50 MPa), del equipo construido; son casi similares a los
valores obtenidos con el equipo universal de la EPN.
Las pruebas de funcionamiento contribuyeron en la obtención de valores
característicos de un ensayo de tensión, con los cuales se graficó el
diagrama de esfuerzo – deformación.
La máquina construida cumplió con los requerimientos mínimos de límite
de fluencia (250 MPa), resistencia a la tracción (400 MPa), porcentaje de
elongación (23%), para realizar ensayos del acero ASTM A-36.
La elongación obtenida de 42.15% del ensayo con la maquina construida,
no difiere en gran medida con la elongación de la probeta ensayada en la
EPN; y ambas determinan que el acero ASTM A-36 posee un
considerable límite elástico.
El diagrama de esfuerzo-deformación presentó una curva acorde al acero
ASTM A-36, donde se observó que el esfuerzo es proporcional con la
deformación hasta alcanzar el máximo esfuerzo (492.74 MPa).
45
4.2 RECOMENDACIONES
Elaborar un estudio exhaustivo del comportamiento de los tipos de aceros
empleados en la construcción del banco de ensayo de tensión, así como
de los tipos de aceros empleados en el sector automotriz.
Se debe tomar mucha atención en la selección de los equipos, como es
el caso del gato hidráulico y las mordazas; ya que son parte fundamental
para el buen funcionamiento de la máquina.
Realizar pruebas de tensión con probetas que sean normalizadas y
estandarizadas, para lo cual se debe cumplir con las exigencias que
presente la norma aplicada ante el ensayo.
Es aconsejable que la adaptación del manómetro de presión en el gato
hidráulico; se la realice bajo un manual técnico y que de esta manera
entregue un valor aceptable de presión.
Se debe tener en cuenta que la fuerza máxima es de 12 toneladas, por lo
cual el ensayo se lo puede hacer a materiales que no exijan mayor fuerza
que la otorgada por el gato hidráulico.
Se recomienda tener cuidado al momento de operar la máquina, evitando
que otras personas se acerquen a la máquina y puedan sufrir algún
accidente o una distracción.
El ajuste de la probeta rectangular debe tener cuidado, para esto se
recomienda realizar un buen apriete con los tornillos de banco y de este
modo evitar que la probeta resbale en pleno funcionamiento.
Es necesario tomar muy en cuenta, el estado que deben tener las pilastras
superiores; por lo tanto, se recomienda dar una buena lubricación de estos
elementos antes realizar un ensayo.
Es aconsejable acoplar otros dispositivos de medición que entreguen
resultados con mayor exactitud y de esta manera obtener un sello de
certificación INEN.
Automatizar la operación del equipo, por ejemplo, en la aplicación de
carga de tensión.
5. BIBLIOGRAFÍA
46
5. BIBLIOGRAFÍA
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Obtenido de http://www.boustens.com/banco-de-pruebas-traccion-
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universitario.
Gil espinosa, j. C.-b.-h. (2009). Manual de mecánica industrial : soldadura y
materiales. Barcelona: acervo general - iteso.
Guilcamaigua, j. (16 de febrero de 2012). T-espel-0516[1]. Obtenido de
https://es.scribd.com/doc/81866011/t-espel-0516-1
Gutiérrez, m. S. (2012). Métodos de unión y desunión de elementos fijos
estructurales. Málaga: ic.
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Jeffus, l. (2009). Soldadura : Principios y Aplicaciones. Madrid: paraninfo.
José fidalgo, m. F. (2016). Tecnología industrial II. Madrid: parainfo.
Llardent, r. A., & garcía, g. A. (2011). Fundamentos de resistencia de
materiales. Madrid: uned.
Mariño, m. U. (14 de enero de 2014). Ptolomeo. Obtenido de
http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.5
2.100/3683/tesis_final_murrea.pdf?Sequence=1
Mott, r. L. (2009). Resistencia de materiales. México: pearson educación.
Normalización, i. E. (1989). Codigo de dibujo tecnico-mecanico. Quito: cpe
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S., u. S. (29 de junio de 2016). Ensayos de tracción. Obtenido de
http://www.tenso.es/productos/laboratorio/ensayos.asp
S.l., z. I. (29 de junio de 2016). Zwick/roell. Obtenido de
http://www.zwick.es/es/aplicaciones/plasticos/termoplasticos-
compuestos-de-moldeo/ensayo-de-traccion/geometria-y-dimensiones-
de-probetas-segun-las-normas-iso.html
William, c. (2007). Materials science and engineering an introduction.
México: john wiley & sons. Inc.
6. ANEXOS
47
6. ANEXOS
ANEXO 1
Diagramas del proceso constructivo de la máquina
1
2
3
4
5
6
Obtener la información acerca de la norma ASTM 370, para conocer el diseño de la probeta.
Cortar una placa de 300 mm de largo por 150 mm de ancho y con espesor de 3mm.
Seccionar la placa por la mitad, para conseguir dos probetas quedando de 300 x 75 mm.
Trazar en cada placa metálica, la figura con las dimensiones indicadas por la norma.
Cortar la figura trazada con las herramientas adecuadas de forma precisa.
Limar los excesos de material localizados en los extremos producidos por los cortes.
Insp 1Ins
p
Guardar en despensa.
PROBETAS
48
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
Buscar el material en bruto, el cual cumpla con un diámetro de 60 milímetros o su inmediato.
Cortar el eje de transmisión, según las medidas ya establecidas; siendo esta de 800 mm de largo. Cortar una placa de 300 mm de largo por 150 mm
Centrar el eje y proceder a su montaje mediante perforaciones de centro, para sujetar al entorno.
Refrendar los extremos del eje y realizar un cilindrado hasta conseguir los 40 mm de diámetro.
Cilindrar 55 mm de largo de cada extremo, hasta conseguir una reducción de sección de 27 mm.
Roscar una longitud de 25 mm de los extremos, con un roscado milimétrico establecido por M27.
Insp 1Ins
p
Guardar en despensa.
PILASTRAS P1 Y P2
49
1
2
3
4
5
6
Buscar el material en bruto, el cual cumpla con un diámetro de 40 milímetros o un aproximado a este.
Cortar el eje de transmisión, según las medidas ya establecidas; siendo esta de 650 mm de largo.
Centrar el eje y proceder a su montaje mediante perforaciones de centro, para su sujeción en torno.
Refrendar los extremos del eje y realizar un cilindrado hasta conseguir los 60 mm de diámetro.
Cilindrar 55 mm de largo de cada extremo, hasta conseguir una reducción de sección de 27 mm.
Roscar una longitud de 25 mm de los extremos, con un roscado milimétrico establecido por M27.
Insp 1
Guardar en despensa.
PILASTRAS
P3, P4, P5 Y P6
50
1
2
3
4
5
6
Adquirir el material en bruto, el cual debe ser mayor a 30 mm de espeso; para su mecanizado.
Cortar dos placas de las mismas dimensiones de 380 x 150 mm, pero siempre dejando tolerancias.
Trazar y granetear los dos orificios de 27 mm de radio, presentados en la geometría de las placas.
Obtener las dos placas según el diseño, mediante el uso de torno CNC.
Realizar el proceso de limado de los bordes y el lijado de las superficies de las placas
Ejecutar el fondeado y posterior pintado de ambas placas, exceptuando los bordes de los orificios.
Insp 1
Guardar en despensa.
PLACAS C1 Y C2
51
1
2
3
4
5
6
Adquirir el material en bruto, el cual debe ser mayor a 30 mm de espeso; para su mecanizado.
Cortar una placa con dimensiones de 650 x 250 mm, con las adecuadas tolerancias.
Trazar y granetear los dos orificios de 30 mm de radio y los cuatro orificios de 27 mm de diámetro.
Obtener la placa según sea el diseño, mediante el uso de torno CNC o ya sea corte por agua.
Realizar el proceso de limado de los bordes y el lijado de las superficies de la placa
Ejecutar el fondeado y posterior pintado de dicha placa, exceptuando los bordes de los orificios.
Insp 1
Guardar en despensa.
PLACA C3
52
1
2
3
4
5
6
Adquirir el material en bruto, el cual debe ser mayor a 30 mm de espeso; para su mecanizado.
Cortar una placa con dimensiones de 650 x 250 mm, con las adecuadas tolerancias.
Trazar y granetear los cuatro orificios de 27 mm de diámetro.
Obtener la placa según sea el diseño, mediante el uso de torno CNC.
Realizar el proceso de limado de los bordes y el lijado de las superficies de la placa
Ejecutar el fondeado y posterior pintado de la placa, exceptuando los bordes de los orificios.
Insp 1
Guardar en despensa.
PLACA C4
53
ANEXO 2
Diagrama de proceso de la instalación del manómetro
1
2
3
4
5
6
Adquirir un gato hidráulico de tipo botella de 12 toneladas, de marca Jack preferiblemente.
Comprar un manómetro de presión sin glicerina, con un alcance de hasta 200 PSI.
Drenar el aceite del gato hidráulico a través de la válvula de alivio o desahogo.
Desarmar por completo el gato hidráulico, hasta lograr retirar el cilindro interno del gato hidráulico.
Perforar un orificio de 3/8 en la base y también uno a un costado, los cuales deben ser roscados.
Colocar el manómetro en el orificio con roscado y rearmar el gato, con el respectivo llenado de aceite
Guardar en despensa.
GATO HIDRÁULICO
54
ANEXO 3
Diagrama de proceso del ensamblaje de la máquina
1
2
3
4
5
6
Centrar y montar uno de los tornillos de banco en la placa metálica C4, a través de pernos M6.
Colocar el tornillo de banco restante en la placa metálica C2, con la sujeción mediante pernos M6.
Montar el gato hidráulico con manómetro en la placa metálica C3, mediante pernos y tuercas M6.
Ensamblar las pilastras inferiores en los orificios de la placa metálica C4
Ensamblar los extremos sobrantes de las pilastras inferiores, con la placa metálica C3.
Ajustar el conjunto ensamblado con las placas C3, C4 y las pilastras, mediante tuercas M27.
BANCO ENSAYO
DE TENSIÓN
7 Pasar las pilastras superiores por los orificios de mayor tamaño de la placa metálica C3.
8 Ensamblar un extremo de las pilastras. superiores con la placa metálica C1.
9 Ensamblar el extremo faltante de las pilastras superiores con la placa metálica C2.
10
Ajustar el conjunto ensamblado con las placas C1, C2 y las pilastras superiores, mediante tuercas
Insp
1
Montaje completo de la máquina, para probar
55
MONTAJE COMPLETO DE LA MÁQUINA
56
ANEXO 4
Planos de construcción de los elementos diseñados.
57
58
59
60
61
ANEXO 5
Planos estructurales de la máquina
62
63
ANEXO 6
Planos estructurales de la probeta
64
ANEXO 7
Informe técnico del ensayo de tracción EPN
65
ANEXO 8
Manual de operación del banco de ensayos de tensión
MANUAL DE OPERACIÓN
Este manual de operación es un instrumento único y esencial para realizar
pruebas de tracción en aceros de uso automotriz, mediante el uso del banco
de ensayos de tensión construido.
PREPARACIÓN DE LA PROBETA
1 Informar sobre el tipo de acero
empleado para el ensayo.
2 Obtener las medidas indicadas
por la norma ASTM A370.
3 Comprobar que la probeta no
contenga irregularidades.
4 Tomar las respectivas medidas
de la probeta.
5 Marcar la longitud inicial (Lo),
regida por las normativas. Esta
longitud se coloca en el centro
de la probeta.
PREPARACIÓN DE LA MÁQUINA
1 Comprobar el ajuste de los
accesorios de la máquina.
2 Centrar los tornillos de banco
(superior e inferior).
3 Lubricar las pilastras
superiores, en caso de que sea
necesario.
EJECUCION DEL ENSAYO
1 Sujetar la probeta, mediante el
tornillo de banco inferior.
2 Sujetar la probeta, mediante el
tornillo de banco superior.
3 Ajustar la válvula de alivio del
gato hidráulico.
4 Accionar el mando manual del
gato hidráulico.
5 Realizar el aumento de carga,
según el tiempo establecido por
la norma INEN
66
6 Tomar medidas del manómetro
conforme sea el aumento
progresivo.
7 Observar que la probeta ya
contemplé una fisura o rotura.
8 Retirar la probeta una vez ya
ensayada.
9 Tomar medidas de la longitud
final alcanzada por la probeta.
ENTREGA DE RESULTADOS
1 Calcular la fuerza aplicada
mediante los datos medidos
por el manómetro de presión y
el área del eje gato hidráulico
(diámetro eje 40mm). Aplicar la
fórmula de Pascal F=PxA
2 Medir la variación de la longitud
inicial marcada con la longitud
final alcanzada.
67
ANEXO 9
Manual de mantenimiento del banco de ensayos de tensión
MANUAL DE MANTENIMIENTO
Este manual tiene como única finalidad, la de informar acerca de los trabajos
necesarios que se deben hacer de forma periódica y de esta manera lograr
mantener completamente funcional el banco de ensayos.
SERVICIO PROCEDIMIENTO DE MANTENIMIENTO PERIODICIDAD
Limpieza
Limpiar el cilindro externo del gato
hidráulico, los tornillos de banco y también
las pilastras superiores, tratando de no
causar rayones o cortes.
Semestral
Lubricación
Lubricar las pilastras superiores, con un
aceite de transmisión, este tipo de aceite
con baja viscosidad permitirá un buen
desplazamiento de los mencionados
elementos Para lo cual, se deberá colocar
una fina capa de dicho aceite.
Trimestral
Cambiar el aceite del gato hidráulico. Para
su cambio es necesario drenar todo el
aceite por el tapón de alivio, a continuación,
se debe volver a ajustar dicho tapón y por
ultimo retirar el tapón de plástico para
rellenar con aceite hidráulico.
Anual
Engrasar el eje roscado de los tornillos de
banco, para que exista un mejor
desplazamiento de la boca móvil por la guía
y así obtener un buen agarre.
Semestral
Ajuste
Reajustar todas las tuercas de la máquina
con la herramienta adecuada y de esta
manera evitar posibles accidentes.
Trimestral
Calibración
Calibrar el instrumento de medición
manómetro, con la ayuda de expertos sobre
el tema y así garantizar la obtención de
resultados confiables.
Anual
68
ANEXO 10
Hoja guía para prácticas de ensayos de tensión
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E INDUSTRIAS
GUÍA DE PRÁCTICA #
Integrantes: Fecha:
Carrera:
Semestre: Profesor:
1. INTRODUCCIÓN
El ensayo de tracción se base en el sometimiento de esfuerzos de tracción a una probeta con dimensiones estándares, de manera creciente hasta conseguir la rotura del material que se desea ensayar. Este ensayo es una prueba fundamental para obtener información acerca de las propiedades mecánicas que tiene un material. El ensayo de tracción del tipo destructivo, permite al estudiante trazar el diagrama de esfuerzo versus deformación.
2. OBJETIVOS
Obtener mediciones confiables a base de ensayos de tensión de aceros de uso automotriz a través de probetas normalizadas.
Analizar los resultados del ensayo de tracción sometido a un acero de uso automotriz, emitidos por la máquina construida.
Trazar el diagrama de esfuerzo – deformación, con los datos obtenidos a través de la resolución de ecuaciones matemática.
3. FUNDAMENTO
4. PROCEDIMIENTO
a) Realizar la medición del ancho y espesor de la probeta, con la ayuda del calibrador Vernier.
b) Señalar con el rayador la longitud inicial (Lo=50 mm), para lograr medir la elongación producida.
c) Sujetar y ajustar la probeta en el tornillo de banco inferior, tratando que se encuentre bien recta.
d) Ajustar la probeta con el tornillo de banco superior, observando que la probeta se encuentre a 90°.
e) Ejercer carga mediante el gato hidráulico, con la velocidad dictada por la norma ASTM 370. (15 seg)
f) Desmontar la probeta una vez que haya alcanzado la máxima carga y obtener la elongación.
69
4. MATERIALES / HERRAMIENTAS
Mandil.
Rayador.
Calculadora.
Regla metálica.
Calibrador Vernier.
Calzado punta de acero. Probeta rectangular de acero normalizada.
5. TABLA DE RESULTADOS
A
Material Carga máxima
Registrada
Límite de
fluencia
Resistencia a
la tracción
%
Elongación en
50 mm
lbf N ksi MPa ksi MPa
6. BANCO DE PREGUNTAS
1. Mediante los datos obtenidos calcule el límite de fluencia. 2. Obtenga la resistencia a la tracción con los datos generados. 3. Indique el porcentaje de alargamiento que sufrió la probeta. 4. Trace la curva esfuerzo-deformación en el siguiente plano
cartesiano.
7. CONCLUSIONES
8. RECOMENDACIONES
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125 0,15 0,175 0,2 0,225 0,25 0,275 0,3 0,325 0,35
Esfu
erz
o (
Ksi
)
Deformación
DIAGRAMA ESFUERZO VS DEFORMACIÓN
70
ANEXO 11
Norma técnica ecuatoriana NTE INEN 109:2009
71
72
73
74
75
76
ANEXO 12
Dimensiones de probetas bajo la norma ASTM A370
77
ANEXO 13
Ficha técnica acero ASTM A36
(Cía. General de Aceros S.A., 2017)
78
ANEXO 14
Ficha técnica del acero AISI 1018
(Sumitec, 2017)
79
ANEXO 15
Presupuesto para la ejecución del proyecto
PRESUPUESTO DEL PROYECTO
ITEM DETALLE CANTIDAD COSTO
UNITARIO
COSTO TOTAL
1 Plancha metálica ASTM-A36 de 30 mm de espesor
1 460,00 460,00
2 Eje de transmisión SAE 1018 de 63 mm de diámetro
1 100,00 100,00
3 Eje de transmisión SAE 1018 de 45 mm de diámetro
1 212,00 212,00
4 Corte de las placas metálicas 4 42,70 170,80
5 Corte de ejes de transmisión 6 5,00 30,00
6 Mecanizado de las placas metálicas
4 45,00 180,00
7 Mecanizado de los ejes de transmisión
6 40,00 240,00
8 Gato hidráulico de 12 toneladas 1 83,00 83,00
9 Manómetro de presión de 200 PSI
1 45,70 45,70
10 Tornillo de banco de 3 pulgadas 2 59,90 119,80
11 Mecanizado del acople manómetro - gato hidráulico
1 30,00 30,00
12 Tuercas milimétricas M27 12 2,05 24,60
13 Pernos y tuercas 3/8 de pulgada 7 0,56 3,92
14 Tubo y codo de alta presión 3/8 de pulgada
1 6,20 6,20
15 Pintura sintética roja anticorrosiva 1/4 de galón
1 8,70 8,70
16 Pintura sintética negra anticorrosiva 1/16 de galón
1 4,00 4,00
17 Placa metálica de 3 mm de espesor para probetas
1 17,00 17,00
18 Mecanizado de probetas rectangulares ASTM 370
3 32,16 96,48
19 Ensayo de tracción ejecutado en la EPN
1 30,00 30,00
20 Calibrador Vernier 1 31,89 31,89
21 Herramientas y consumibles 1 50,00 50,00
22 Transporte 1 60,00 60,00
TOTAL ($): 2004,09
80
ANEXO 16
Imágenes de los aceros utilizados en las carrocerías
(Volkswagen, 2017)