RESISTENC RESISTENCIA IA DE MATERIALES MATERIAL ES Guía de Laboratori o
Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica Universidad Tecnológica de Bolívar
Parque Industri al Velez-Pombo Velez-Pombo Km.1, Via Via Turbaco Tel./fax: (575) 6535200/6619240 Cartagena, Colom Colom bia
TABLA DE CONTENIDO
I.
ENSAYO DE TRACCIÓN EN METALES
II.
ENSAYO DE COMPRESIÓN (METALES Y CONCRETO)
III.
ENSAYO DE FLEXIÓN (METALES Y MADERA)
IV.
ENSAYO DE IMPACTO
V.
ENSAYO DE CORTANTE
I. ENSAYO DE TRACCIÓN EN METALES 1. Objetivos. 1.1. Objetiv o general Analizar el comportamiento de diversos materiales metálicos al ser sometidos a un esfuerzo de tensión uniaxial. 1.2. Objetivos específicos •
Determinar las magnitudes que caracterizan las propiedades mecánicas de los aceros en ensayos de tensión uniaxial: o
Resistencia mecánica: Esfuerzo de fluencia y Esfuerzo último a tracción.
o
Ductilidad: Elongación porcentual y Estricción.
o
Rigidez: Módulo de Young E.
•
Determinar la influencia del % de carbono sobre las propiedades mecánicas de los aceros al carbono.
•
Adquirir habilidades en la interpretación de gráficas de Esfuerzo contra Deformación relativa en los ensayos de tensión.
2. Generalidades. El ensayo se realiza en una Máquina Universal (figura 1) y la operación consiste en someter una probeta (ver figura 2) a una carga monoaxial gradualmente creciente (es decir, estática) hasta que ocurra la falla. Las probetas para ensayos de tensión se fabrican en una variedad de formas. En este caso se usan probetas cilíndricas de aceros al carbono, cuyos parámetros geométricos de interés se muestran en la figura 2.
Figura 2. Máquina Universal de Ensayos
Figura 2. Probeta para ensayo de tracción El esfuerzo axial usado en Ingeniería (σ) en el espécimen de prueba (probeta) se calcula dividiendo la carga P entre el área de la sección transversal (A 0). La deformación relativa (ε) a partir del alargamiento medido “ δ“, dividido por la longitud calibrada L0. σ =
P A0
,
ε =
δ
Lo
La relación lineal entre el esfuerzo y la deformación puede expresarse mediante la ecuación σ = Eε, donde E es una constante de proporcionalidad conocida como el módulo de elasticidad del material ó Módulo de Young, que caracteriza la rigidez del material y sólo es válida en la zona de deformación elástica. El estudiante debe revisar previamente el contenido relacionado con los ensayos de tensión uniaxial en materiales metálicos e interpretar las gráficas de σ contra ε, identificando las zonas de deformación elástica y de deformación plástica, así como l a información que ofrecen éstas en cuanto a las magnitudes que caracterizan las propiedades de resistencia mecánica, ductilidad, rigidez y tenacidad. La capacidad de un material para deformarse plásticamente si destruirse se caracteriza por su ductilidad, la que se determina la elongación porcentual y la estricción:
θ =
L f − Lo Lo
(100) y ψ
=
Ao − A f Ao
(100) .
Los datos de Lo, Ao, Lf , y Af se determinan con mediciones en las probetas antes y después del ensayo. 3. Materiales y Equipos a utilizar. •
Máquina Universal (Figura 1).
•
Aditamentos para el ensayo de tracción e instrumental del equipo.
•
Pie de Rey.
•
Regla graduada.
•
Marcador de trazo fino.
•
Probetas metálicas. Acero de bajo carbono y acero medio en carbono.
4. Procedimiento. •
Prepare la máquina para ensayos a tracción: Encienda y espere 15 min para su calentamiento.
•
Tome las dimensiones necesarias de las probetas a ensayar, según tabla 1. Haga marcas cada un cm en la zona de trabajo de la probeta, precisando Lo.
•
Monte las probetas en las mordazas para el ensayo con el apoyo del técnico de laboratorio.
•
Ajuste en cero el sistema en carga y deformación.
•
Prográmese el ensayo automático utilizando el software del equipo.
•
Inicie el ensayo estático, con aplicación gradual y lenta de carga hasta la rotura.
•
Observe durante el ensayo el indicador instantáneo de carga y trate de apreciar si existe fluencia física, con la detención o reducción de la rapidez de cambio de la carga en un corto período de tiempo. Anote el valor de fuerza observado.
•
Una vez rota la probeta y extraída de las mordazas, una las partes rotas y determine Lf y el diámetro final en la zona de rotura df (para obtener A f ). Complete los datos de la tabla 1.
•
Coloque la segunda probeta del material 2 y repita el ensayo.
5. Actividades a realizar. •
¿Cuáles son las magnitudes que caracterizan: a) La resistencia mecánica en el ensayo de tensión? b) La ductilidad del material? c) La rigidez?
•
Mostrando un diagrama de Esfuerzo contra deformación relativa. Señale la zona de deformación elástica, la de deformación plástica, el límite de fluencia y la tensión última a la tracción.
•
¿Cómo influye el % de carbono en las propiedades del acero? Compare un acero AISI 1020 con el AISI 1045
•
A partir de la información de los ensayos realizados y de los gráficos de σ Vs ε, determine el Límite de fluencia, la tensión máxima, la elongación porcentual, la estricción y el módulo de Young para cada acero. Complete la tabla 1.
•
Compare los aceros por sus propiedades mecánicas obtenidas en el ensayo de tensión. Saque conclusiones sobre la influencia del % de carbono en las propiedades mecánicas del acero al carbono. Cuál de los dos aceros ensayados tiene mayor tenacidad. Explique.
•
Determine, de las gráficas σ contra ε obtenidas para cada acero, el Módulo de Young. ¿Existen diferencias significativas en los valores obtenidos entre los dos aceros? Justifique el resultado Tabla 1. Medidas de las probetas y resultados del ensayo. Acero
LO (mm)
dO (mm)
Lf (mm)
Ao
Af 2
Θ 2
(mm ) (mm )
%
Ψ
%
σf
(Mpa)
6. Bibli ografía •
La Ciencia e Ingeniería de los Materiales / Donal R. Askeland, 1985
•
Ciencia de Materiales para Ingeniería / Peter A. Thorton, 1987
•
Fundamentos de la Ingeniería de Materiales/ Williams F. Smith”, 1993.
σu
(Mpa)
•
Metalurgia física. Estructura y Propiedades/ José A. Pero- Zanzelorz,1992.
•
Engineering Material. Properties and selection/ Kennet Budinski, 1992.
•
Metalografía/ tomo I y II/ Guliaev A. P./ Moscú: Ed. Mir, 1978.
•
Resistencia de Materiales Stiopin P. A Ed. Mir. 1985.
II. ENSAYO DE COMPRESION
1. OBJETIVOS 1.1. Objetivo general Analizar el comportamiento de distintos materiales bajo carga de compresión uniaxial y determinar así sus propiedades mecánicas. 1.2. Objetivos específicos •
Adquirir habilidades en la interpretación de gráficas de Esfuerzo contra Deformación relativa en los ensayos de compresión.
•
Determinar las principales magnitudes físicas que caracterizan: la resistencia mecánica, la ductilidad y la rigidez de los materiales a compresión.
2. GENERALIDADES Este ensayo se basa en la aplicación de una carga de compresión axial en los extremos de una probeta cilíndrica, lo cual produce una reducción en su longitud (figura 1.). Las probetas quedan limitadas a una longitud tal que el pandeo no influye en el ensayo. Existen varias limitaciones para la realización de ensayo buscando obtener una deformación verdaderamente uniaxial en la probeta: −
La dificultad en aplicar una carga verdaderamente concéntrica o axial.
−
El carácter relativamente inestable de este tipo de carga en contraste con la carga de tensión. Existe siempre una tendencia al establecimiento de esfuerzos flexionantes.
−
La fricción entre los apoyos de la máquina y los extremos de la probeta, debido a la expansión lateral de ésta, puede alterar considerablemente los resultados de l ensayo.
−
Las áreas seccionales, relativamente mayores, de las probetas, para obtener un grado apropiado de estabilidad de la misma.
−
Los extremos de la probeta deben ser planos y perpendiculares al eje de la probeta, a lo largo del cual se aplica la carga.
Figura 1. Probeta sometida a compresión
El uso de los ensayos de tensión y compresión no está limitado a la determinación de las propiedades del material en forma de probetas estandarizadas. Los ensayos de tamaño real de componentes estructurales se realizan comúnmente. La variedad de las piezas elaboradas y los miembros de tamaño real, a los cuales los ensayos de tensión y compresión pueden aplicarse es muy amplia. En muchos casos, los ensayos de esta clase son esencialmente iguales a los realizados con probetas estandarizadas. Por ejemplo, se usan aparatos y procedimientos de ensayos más o menos normalizados para determinar las propiedades de tramos seleccionados de alambre, varilla, tubería, barras de refuerzos, fibras, telas, cordeles y cables de alambre, en tensión; y ladrillo, azulejos, bloques para mampostería y ciertos tipos de fundiciones metálicas, en compresión. El aspecto importante de otros ensayos de tamaño real es la duplicación, tan aproximada como sea posible de las condiciones de carga de servicio y la observación del desarrollo de las debilidades locales, así como de las cargas críticas. Algunas de la piezas de tamaño real, sobre las cuales se realizan ensayos, con alguna frecuencia pueden mencionarse: barras tensoras, cadenas y ganchos para anclas, palancas y articulaciones remachadas y soldadas, en tensión; tubería de hierro fundido y de concreto, pilares compuestos, pedestales, columnas y secciones murales, en compresión. Para obtener un esfuerzo uniforme en la probeta de compresión, una sección ci rcular es preferible a otras formas. Sin embargo, es también posible utilizar probetas de sección cuadrada o rectangular.
Figura 2. Probetas para ensayo de compresión en metales Las probetas para ensayos de compresión en materiales metálicos se muestran en la figura 2. Las probetas cortas son para usarse con metales antifricción, las de longitud mediana para uso general y las largas para ensayos que determinen el módulo de elasticidad. El esfuerzo axial σ en el espécimen de prueba (probeta) se calcula dividiendo la carga P entre el área de la sección transversal A: P
σ =
A
(1)
Cuando en este cálculo se emplea el área inicial de la probeta, el esfuerzo resultante se denomina esfuerzo nominal (esfuerzo convencional o esfuerzo de ingeniería). Se puede calcular un valor más exacto del esfuerzo axial, conocido como esfuerzo real, al utilizar el área instantánea de la sección transversal de la probeta. La deformación unitaria axial o nominal (ε), se determina a partir del acortamiento “ δ“ de la probeta al dividir δ entre la longitud inicial de la misma, L 0: ε =
δ
Lo
(2)
Por otro lado, la ductilidad de un material a compresión puede caracterizarse por su acortamiento total y por el aumento de área en la sección transversal: % Elongación =
Lo − L f Lo
×100
(3)
donde Lo es la longitud inicial y L f es la longitud final de la probeta. El incremento porcentual de área se define como sigue: % R A
=
A f
− Ao
Ao
×100
(4)
donde Ao es el área original de la sección transversal y A f es el área final. En este ensayo las propiedades usualmente determinadas son: la resistencia a la fluencia, la resistencia a la compresión, la ductilidad y el módulo de elasticidad del material ensayado. 3. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR •
Máquina universal de ensayos.
•
Aditamentos para ensayos a compresión.
•
Calibrador.
•
Probetas metálicas.
4. PROCEDIMIENTO •
Mida el diámetro y longitud de cada una de las probetas y anótelos en la tabla 1.
•
Coloque la probeta centrada en los platos de compresión de la maquina universal. Previamente las caras de las probetas deben ser recubiertas con grasa.
•
A través del software de control, programe la maquina universal para ejecutar un ensayo de compresión.
•
Ejecute el ensayo hasta alcanzar una deformación unitaria máxima igual a 0.20 mm/mm en el caso de la probeta metálica y en el caso de la probeta de concreto realice el ensayo hasta que la probeta falle.
•
Retire la probeta de la máquina y proceda a colocar una nueva, repitiendo el procedimiento antes descrito.
5. ACTIVIDADES A REALIZAR •
De acuerdo a la velocidad de aplicación de carga, ¿cómo se clasifican los ensayos mecánicos?
•
Compare las curvas esfuerzo-deformación para cada uno de los materiales ensayados. Haga una descripción del comportamiento de cada una de ellas.
•
Determine el módulo de elasticidad en cada uno de los materiales ensayados con ayuda de la respectiva gráfica.
•
En el caso de material metálico determine el esfuerzo de fluencia utilizando la regla de 0.2%.
•
Determine la resistencia a la fluencia en compresión en el material metálico ensayado y la resistencia última de las probetas de concreto.
TABLA 1. Medidas de las probetas. MATERIAL
Longitud
diámetro
A
%
%
(mm)
(mm)
(mm 2)
Elongación
Ra
III. ENSAYO DE FLEXIÓN
1. OBJETIVOS 1.1. Objetivo General Analizar el comportamiento de un metal sometido a carga de flexión médiate el desarrollo del ensayo de flexión en tres puntos. 1.2. Objetivos Específicos •
Conocer el ensayo de flexión en tres puntos para estudiar la resistencia a la flexión de materiales metálicos.
•
Determinar el máximo esfuerzo normal que puede soportar un material cuando está sometido a cargas que le producen flexión antes de desarrollar deformaciones plásticas.
•
Estudiar la distribución de esfuerzos normales por flexión en el rango plástico para el metal ensayado.
•
Conocer el ensayo de flexión en tres puntos para estudiar la resistencia a la flexión de maderas y la influencia de la dirección de las fibras en su respuesta mecánica.
•
Determinar el máximo esfuerzo normal que puede soportar una probeta de madera cuando está sometida a cargas de flexión.
•
Comparar el comportamiento a la flexión de diferentes tipos de maderas para una misma configuración geométrica de probeta.
2. GENERALIDADES Una viga es un miembro estructural o una parte de una máquina que soporta cargas transversales (perpendiculares al eje del elemento). La mayor parte de las vigas se colocan en una posición horizontal y las fuerzas actúan verticalmente sobre ellas. Las vigas se clasifican de acuerdo con la forma en la cual se apoyan. Algunos de los tipos más comunes de vigas se muestran en la figura 1. Hay dos tipos de carga que se aplican muy comúnmente en las vigas: cargas concentradas o puntuales y cargas uniformemente distribuidas. Una carga concentrada se extiende sobre una longitud muy corta de la viga y en los cálculos se considera que actúa sobre un punto (figura 2a). Una carga uniformemente distribuida es aquella en la cual la carga se distribuye sobre una longitud determinada o sobre la longitud total de la viga (figura 2b). El peso de una viga es un ejemplo de una carga uniformemente distribuida.
Figura 1. Diferentes tipos de vigas El momento de una fuerza con respecto a un eje se define como la tendencia de la fuerza a causar una rotación alrededor de ese eje. Si un cuerpo está en equilibrio bajo la acción de varias fuerzas, la suma de todos los momentos de esas con respecto a cualquier punto es igual a cero. El ensayo de flexión en tres puntos consiste en someter una probeta de sección circular, rectangular o cuadrada, a una carga única situada en su punto medio. Esta carga debe aplicarse en forma continua, lenta y gradualmente (figura 3).
Figura 2. Diferentes tipos de cargas encontradas en vigas.
Figur a 3. Probeta sometida a flexión Un ensayo de flexión sirve para determinar: - La flecha elástica bajo una carga dada. - La carga correspondiente a una determinada flecha. - La flecha correspondiente a la carga máxima apli cada durante la prueba. Al realizar la prueba podemos comparar los valores de l a flecha, f , dados por la máquina de ensayos con la solución analítica dada por la teoría de la elasticidad: f
=
1
⋅
FL3
48 EI
(1)
donde E es el módulo de elasticidad e I es el momento de inercia de la sección transversal respecto al eje neutro de la viga. Esta expresión se cumple sólo hasta el límite elástico del material. El ensayo de flexión en tres puntos permite determinar la curva de flecha contra carga aplicada, la cual es reportada por la máquina universal de ensayos. El esfuerzo de flexión es el esfuerzo normal que se presenta en la sección recta de una viga cuando ésta se somete a cargas transversales; viene dado por la expresión:
σ f =
M S
(2)
Figur a 4. Distribución de esfuerzos en una viga en el rango elástico del material. Donde σf es el esfuerzo de flexión, M es el momento flector y S es el módulo de la sección transversal respecto al eje neutro. El máximo esfuerzo de flexión (en el límite elástico del material) se calcula teniendo en cuenta una deformación (flecha) de 90 centésimas de milímetro. El plano neutro es la zona del material que no sufre deformación por no estar sometida a esfuerzos normales. 3. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR •
Máquina universal de ensayo
•
Apoyos para probeta
•
Calibrador
•
Probetas metálicas
•
Probetas de madera
4. PROCEDIMIENTO •
Tome las medidas a las probetas al igual que la distancia d entre los puntos de apoyo y anótelas en la Tabla 1.
•
Coloque la probeta centrada en los apoyos con la longitud menor de la sección transversal (h) en sentido vertical en el caso de la madera.
•
A través del software de control, programe la máquina universal para ejecutar un ensayo de flexión en tres puntos.
•
Ejecute el ensayo hasta alcanzar una flecha máxima igual a 50 mm (para materiales metálicos) y hasta que la probeta falle (para la madera)
•
Retire la probeta de la máquina y proceda a colocar una nueva, repitiendo el procedimiento antes descrito.
5. ACTIVIDADES A REALIZAR •
Registre en las tablas 1 y 2 los datos medidos de acuerdo con el procedimiento.
•
Compare las curvas flecha-carga para cada material ensayado y calcule para cada uno de ellos su resistencia a la flexión. Describa el comportamiento de cada material.
•
Describa los tipos de falla en probetas de madera sometidas a flexión.
•
Cite cuatro ejemplos gráficos en donde se utilice la madera como elemento sometido a flexión.
•
A partir de las curvas flecha-carga, dibuje la distribución de esfuerzos para una flecha igual a 15mm.
•
Calcule el módulo de elasticidad para cada uno de los materiales ensayados. Compare con valores encontrados en la literatura y explique las diferencias.
TABLA 1. Medida de las probetas MATERIAL
L (mm)
Base(mm)
Altura (mm)
A (mm )
IV. ENSAYO DE IMPACTO
1. Objetivos 1.1. Objetivo general. Analizar el comportamiento de distintos materiales al ser sometidos a cargas de impacto. 1.3. Objetivos específicos •
Calcular la tenacidad en cada uno de los materiales ensayados.
•
Comparar el comportamiento de dos materiales ferrosos de diferente composición en cuanto a la tenacidad.
2. Generalidades. La propiedad de un material en relación con el trabajo requerido para causar la ruptura ha sido designada como tenacidad o resiliencia. No debe confundirse con el concepto de resiliencia que se maneja en el ensayo de tensión que es un ensayo estático. La tenacidad depende fundamentalmente de la resistencia y la ductilidad del material. En el diseño de muchos tipos de estructuras y máquinas que deben recibir cargas de impacto, la meta es proveer margen para la absorción de tanta energía como sea posible, a través de la acción elástica y luego confiar en alguna clase de contención para disiparla. Se da el nombre de resiliencia, en el ensayo dinámico, a la energía consumida para romper la probeta, 2 2 que se expresa en Kg.m/cm ó Lb.ft/plg , según la máquina que se utilice, considerándose como sección la correspondiente a la probeta en el lugar donde se encuentra la entalla. La resiliencia (Re) se determina dividiendo la energía absorbida en el ensayo por la sección de la probeta en la zona de rotura: Re =
Energía absorbida Area de rotura
El ensayo más comúnmente utilizado es el método Charpy, el cual emplea el principio del péndulo para la aplicación de la carga (ver figura 1). Normalmente se utilizan pequeñas probetas con entalla estandarizadas como se muestra en la figura 2. El estudiante debe estudiar este tipo de ensayo por la bibliografía recomendada. El efecto de un golpe depende, en general, tanto de la masa de las partes que reciben el golpe como de la energía y la masa del cuerpo golpeante. Las partes principales de una máquina de impacto, pendular y de un solo golpe (figura 1), son: (1) una masa móvil, cuya energía cinética es suficiente para causar la ruptura de la probeta colocada en su camino; (2) un apoyo sobre el cual se coloca la probeta para recibir el impacto, y (3) un medio para medir la energía residual de la masa móvil después de que la probeta ha sido rota. Para indicar el balanceo del péndulo en la máquina Charpy después de que la probeta ha sido rota, un brazo fijado al péndulo mueve un señalador de fricción sobre un arco graduado en grados o en Kgf.m.
Figura 1.Máquina para ensayo de impacto
Medidas en milímetro Figura 2. Probetas para ensayo Charpy
El péndulo es elevado hasta la posición más alta y sostenido por un tope ajustado para dar una altura de caída constante a todos los ensayos. Luego se le suelta y permite caer, fracturando la probeta. En su movimiento ascendente, el péndulo lleva el indicador de fricción sobre una escala semicircular graduada en grados o en Kgf.m. 3. Materiales y equipos a utilizar. •
Péndulo Charpy (Figura 1).
•
Probetas de distintos materiales, una de acero y otra de Hierro fundido gris
•
Calibrador.
•
Termómetro.
4. Procedimiento. •
Se desprecia para este ensayo la pérdida de energía por la fricción del aire.
•
Comprobar las medidas de las probetas a ensayar teniendo en cuenta la figura 2.
•
Colocar el péndulo en la posición de energía potencial máxima, asegurándola posición.
•
Colocar la primera probeta en la base del péndulo, en el yunque, de modo que el percusor golpee la parte opuesta a la entalla.
•
Liberar el péndulo mediante la respectiva palanca.
•
Una vez que el péndulo actúa sobre la probeta detener su movimiento en el camino de regreso y asegurarlo, con mucho cuidado, en su posición inicial para evitar vibraciones que puedan alterar la lectura del indicador.
•
Tomar la lectura del indicador (energía residual); (ER), y registrarla en la Tabla 1.
•
Repetir el mismo procedimiento para cada la segunda probeta, teniendo en cuenta que se debe verificar la graduación de la máquina cada vez que se cambie de material.
•
A partir de los datos obtenidos calcular la energía absorbida y la resiliencia de cada probeta.
5. Actividades a realizar. •
Mencione tres factores que influyen en la tenacidad de un material.
•
¿Depende la tenacidad de la temperatura? Explique.
•
¿Qué entiende por umbral de fragilidad en frío?
•
¿Qué influencia tiene el % de carbono del acero al carbono en la tenacidad y en el umbral de fragilidad en frío?
•
¿Porqué las probetas deben estar estandarizadas en dimensiones para el ensayo de impacto?
•
Calcule la energía absorbida por cada probeta en su fractura. Se debe realizar la diferencia entre la energía inicial Ei =30 kgf.m y la energía residual, entonces: E A
=
Ei
−
E R
•
Calcule la resiliencia de cada material. Re.
•
¿A qué se deben las diferencias en el comportamiento de los materiales ensayados? Explique.
•
¿Cómo habrán de cambiar los resultados obtenidos si estos ensayos se efectúan a temperatura de 60 ºC? Explique.
•
¿Cómo se podría determinar el Umbral de fragilidad en frío de los materiales ensayados? Explique. Tabla 1. Cálculo d e la Tenacid ad. Material
Ei
ER
E A
Re
Kgf.m
Kgf.m
Kgf.m
Kgf.m/cm2
Acero Hierro F. 6.
Bibliografía. •
La Ciencia e Ingeniería de los Materiales / Donal R. Askeland, 1985
•
Ciencia de Materiales para Ingeniería / Peter A. Thorton, 1987
•
Fundamentos de la Ingeniería de Materiales/ Williams F. Smith”, 1993.
•
Metalurgia física. Estructura y Propiedades/ José A. Pero- Zanzelorz,1992.
•
Engineering Material. Properties and selection/ Kennet Budinski, 1992.
•
Metalografía/ tomo I y II/ Guliaev A. P./ Moscú: Ed. Mir, 1978.
•
Resistencia de Materiales /Stiopin P. A. / Ed. Mir. 1985.
V. ENSAYO DE CORTANTE
1. Objetivos. 1.1. Objetiv o general Analizar el comportamiento de uniones de planchas metálicas sometidas a esfuerzos de cortante. 1.2. Objetivos específicos •
Determinar el esfuerzo de cortante límite en uniones remachadas y en uniones soldadas de planchas de acero con dos cubrejuntas.
•
Calcular y seleccionar el número de remaches en una unión de planchas con dos cubrejuntas, donde se conocen la carga externa, el diámetro de los remaches y el esfuerzo de cortante admisible.
•
Determinar variantes de solución la unión metálica por soldadura, presentada en este laboratorio, garantice la resistencia solicitada a una carga externa determinada.
2. Generalidades. En la literatura se presenta un análisis más amplio de los fenómenos de deslizamiento y el estado tensional y de deformación en el deslizamiento puro. Aquí sólo abordaremos dos casos prácticos para el desarrollo de este laboratorio, que son: las juntas remachadas y las juntas soldadas. Para lograr la condición más cercana a la condición de cortante puro se presentan uniones de planchas de acero al carbono con dos cubrejuntas, en un caso unidas con remaches de acero al carbono (en este caso tornillos) figura 1 y en las mismas uniones pero soldadas solamente por la zona frontal y no por el flanco, con 4 cordones, figura 2.
En las juntas remachadas.
La fuerza aplicada no se distribuye inicialmente de igual manera en todos los remaches, no obstante dada la capacidad de deformación elástica y plástica de acero de los mismos, podemos considerar que las tensiones se equilibran antes de la rotura en todos los remaches de la unión. Así el esfuerzo cortante en cada corte de los remaches será:
Donde nc es el número de cortes de la unión y P la carga externa aplicada.
A partir de la ecuación de equilibrio relación:
.
de las fuerzas de una parte de la unión separada se obtiene la
=
(1)
A partir de la condición de resistencia de los remaches al cizallamiento:
,
(2)
Donde: τcrit es la tensión de cizalladura admisible en los remaches (en cada corte). De modo que se puede determinar el número de remaches necesarios para que no ocurra la cizalladura bajo una tensión externa dada como. .
(3)
Es importante tener claro si la unión es de una o de dos hileras. En el caso particular que se analiza por cada remache hay dos cortes, por lo que n = .
En las juntas so ldadas.
Al igual que en la juntas remachadas se cumple que la carga aplicada está distribuida en los cordones por la expresión (1) con la particularidad Q es la carga de cortante en cada cordón de soldadura, n c es el número de cordones frontales y F el área de la sección peligrosa en cada cordón. En general se cumple en cada cordón de soldadura frontal la relación.
. .
(4)
Donde, τ es esfuerzo de cortante encada cordón. La carga admisible en cada cordón, según figura 1, está determinada por la siguiente expresión.
. .
(5)
Donde m es la altura del triángulo de la soldadura tomando como base la hipotenusa del mismo. Para que la unión de 4 cordones cumpla la condición de resistencia debe ocurrir que
P
(6)
Conocidos P y τs, tomando en cuenta que k = a, se puede calcular la longitud (b) del cordón para que la unión cumpla la condición (6) de resistencia. De (5) y (6) se obtiene:
,..
(7)
A partir de estas expresiones y con el estudio de los conocimientos básicos del tema los estudiantes pueden desarrollar la práctica propuesta. 3. Materiales y Equipos a utilizar. •
-Máquina Universal (Figura 1 del ensayo de tracción).
•
-Aditamentos para el ensayo de tracción e instrumental del equipo.
•
Pie de Rey.
•
Juntas de planchas de acero al carbono remachadas (o atornilladas) con 6 remaches en una hilera y con dos cubrejuntas como se muestra en la Figura 2.
•
Juntas de planchas de acero al carbono con dos cubrejuntas, iguales a las remachadas, pero soldadas frontalmente con 4 cordones como se muestra en la Figura 1.
4. Procedimiento. •
Prepare la máquina para ensayos a tracción: Encienda y espere 15 min para su calentamiento.
•
Tome las dimensiones necesarias de las probetas a ensayar, según tablas 1 y 2.
•
Monte la probeta de la unión con remaches en las mordazas de la máquina.
•
Ajuste en cero el sistema en carga y deformación.
•
Inicie el ensayo estático manualmente, con aplicación gradual y lenta de carga hasta la rotura.
•
Observe durante el ensayo el indicador instantáneo de carga y trate de apreciar el valor de carga externa P para el cual comienza la fluencia. Anote este valor.
•
Con este resultado el estudiante utilizando la ecuación (1) determina la tensión de cortante τ en cada remache.
•
Repita el ensayo con la segunda probeta, de la unión soldada con los 4 cordones frontales. De igual modo anote la carga para la cual ocurre la cedencia.
•
Determine si la rotura ocurre por cizalladura en la unión soldada o por el metal base. Si ocurre por la soldadura determine el esfuerzo de cortante límite τ para el cual ocurrió la falla en cada cordón. ,
•
Extraiga la probeta rota de las mordazas.
5. Actividades a realizar. •
¿Qué relación existe entre la carga externa aplicada a tracción en una unión con remaches y el esfuerzo de cortante en cada remache?
•
¿Cómo varía el esfuerzo de cortante en cada remache al variar: a) El diámetro de los remaches, si cambiar el número de ellos? b) Al cambiar el acero de que está hecho el remache? c) Al colocar un solo cubrejuntas en vez de dos en la unión?
•
De las dos uniones construidas. ¿Cuál unión Ud. considera tenga mayor resistencia a cargas externas, la remachada con 6 remaches o l a soldada por los 4 frentes? Explique.
•
¿Tendrá alguna influencia el material del electrodo y el número de pasadas en la tensión de cortante admisible por la unión? Explique.
Sobre las uniones remachadas: •
Ud. pudo apreciar que la unión falló a una tensión relativamente baja condicionada por la resistencia a la cizalladura de los remaches. ¿De qué maneras Ud. podría incrementar la resistencia a cargas externas de ese tipo de unión remachada? Explique.
•
Si la (τs) tensión de cortante admisible para cada remache es 0,8 la tensión, τ, determinada experimentalmente. ¿Cuántos remaches hacen falta con el mismo diámetro para que el sistema soporte una carga de 20 toneladas? ¿Cómo Ud. los distribuiría en la unión?
Sobre las uniones soldadas: •
¿Cómo se podría aumentar la resistencia a las cargas externas a tracción de ese sistema soldado? Exponga tres vías.
•
Si la (τs) tensión de cortante admisible para cada cordón soldado es de 0,7 la tensión, τ, determinada experimentalmente. ¿Cuál sería el ancho mínimo (b) de las platinas recomendado por Ud. para que la unión soporte una carga externa de 20 toneladas? No se cambia ni el material ni se suelda por el flanco. Tabla 1. Datos de interés en unión remachada.
a (cm)
b (cm)
nc
d (cm)
P (kgf)
(Kgf/cm )
τ
τs
(Kgf/cm )
Nota: P, es la carga externa que provoca la cizalladura, τ, el esfuerzo de cortante que provoca la cizalladura, τs, es la tensión de cortante admisible y n c es el número de cortes en los remaches. Tabla 2. Datos de interés en unión soldada. a (cm)
b (cm)
nc
k (cm)
P (kgf)
(Kgf/cm2)
τ
Nota: En este caso n c es el número de cordones frontales de la unión. 6. Bibli ografía •
La Ciencia e Ingeniería de los Materiales / Donal R. Askeland, 1985
•
Ciencia de Materiales para Ingeniería / Peter A. Thorton, 1987
•
Fundamentos de la Ingeniería de Materiales/ Williams F. Smith”, 1993.
•
Metalurgia física. Estructura y Propiedades/ José A. Pero- Zanzelorz,1992.
•
Engineering Material. Properties and selection/ Kennet Budinski, 1992.
•
Metalografía/ tomo I y II/ Guliaev A. P./ Moscú: Ed. Mir, 1978.
•
Resistencia de Materiales Stiopin P. A Ed. Mir. 1985.
τs
(Kgf/cm2)
