1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
CURSO : LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES
TEMA : ENSAYO DE COMPRESION EN PROBETA DE ALUMINIO
ALUMNOS:
ERICK LOZANO CANSAYA
ANTHONY GAMARRA IZQUIERDO
CESAR AUGUSTO QUIÑONEZ DURAND
KELVIN LUQUE MAMANI
KENTI ORELLANA ÑAUPAC
VLADIMIR YANYACHI QUISPE
IRVIN VILLANO QUISPE
ARTUR LLERENA LAURA
WILINTON QUISPE QUISPE
JULI CECAR HUALLPA MACEDO
ALFREDO J. PUMA COLLQUE
EDWIN CHUQUITAYPE QUISPE
CUSCO-PERU
2014
2. INDICE DE CONTENIDOS
Introducción
CAPÍTULO I. EL PROBLEMA
1.1 Tema
1.2 Planteamiento del problema
1.3 Objetivos
CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO
2.1 Fundamentos teóricos
2.1.1 Compresión
2.1.2 Esfuerzo de compresión
CAPÍTULO III. DISEÑO DE MODULO DE COMPRESION
3.1 Modulo de compresibilidad
3.2 Materiales y costo
3.3 Probetas
3.4 Herramientas a usar.
3.5 Inicio de diseño de modulo
CAPÍTULO IV. ANÁLISIS Y DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
4.1 Consideraciones al inicio del ensayo de compresión
4.2 Procedimiento del ensayo de compresión
4.3 Consideraciones teóricas
4.4 Resultados y tablas.
CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES
Conclusiones
Observaciones
PLANOS
BIBLIOGRAFIA
3. INTRODUCCION
Las propiedades mecánicas de los aceros y fundiciones son influenciadas por la composición química, producción de material, tratamiento térmico, condiciones ambientales, velocidad de calentamiento y enfriamiento, y sobre todo su grado de resistencia ante las deformaciones generadas por fuerzas externas e internas a las que debe someterse constantemente.
Como futuros ingenieros mecánicos, debemos poseer un alto conocimiento acerca de las condiciones extremas en las que trabajan los materiales, sobre todo los aceros, por ser este el material en el cual plasmamos nuestros conocimientos de diseño, mantenimiento, producción y construcción. Está de más decir que la mejor manera de entender a los aceros es mediante pruebas de ensayo en probetas experimentales.
Este trabajo investigativo nos muestra los materiales y pasos necesarios a seguir para lograr una prueba de COMPRESION simple, sin complicarnos de gran manera, pero obteniendo resultados satisfactorios.
4. CAPÍTULO I. EL PROBLEMA
1.1 TEMA
Diseño de módulo de compresión adaptada a la prensa hidráulica en el taller del maquicentro de la carrera de Ingeniería Mecánica para su estudio y análisis en probeta de aluminio.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Durante el recorrido de nuestra carrera profesional de Ingeniería Mecánica, siempre se ha estudiado resistencia de materiales de los aceros, durante todo este tiempo hemos escuchado de diferentes ingenieros los importante que es el entender el comportamiento de diferente perfiles bajo cargas axiales, torque y flexión.
Por tal motivo solo hemos conocido lo teórico de resistencia de materiales, gracias a este módulo podremos tener una idea de una carga axial de compresión.
En este caso nos enfocaremos al estudio de las cargas axiales de compresión, de esta manera con ayuda de una probeta de pruebas comprenderemos la resistencia teórica que tanto hemos estudiado.
1.3 OBJETIVOS
Estudiar el comportamiento de los materiales dúctiles (especialmente Aluminio) cuando son sometidos a una carga axial de compresión.
Determinar la resistencia de un material y su deformación ante un esfuerzo de compresión, en la mayoría de los casos puede realizarse en metales, aunque se puede hacer en cualquier material.
Caracterizar algunas propiedades mecánicas del material (sus propiedades y curvas de comportamiento).
Una vez estudiados los conceptos básicos de esfuerzo y deformación unitaria, se mostrará como los esfuerzos pueden relacionarse con las deformaciones unitarias usando métodos experimentales para determinar el diagrama esfuerzo- deformación unitaria de un material específico. Se estudiará el comportamiento descrito para los materiales usados comúnmente en ingeniería. Asimismo, se examinará también las propiedades mecánicas.
5. CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO
2.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
En general, cuando se somete un material a un conjunto de fuerzas se produce tanto flexión, como cizallamiento o torsión, todos estos esfuerzos conllevan la aparición de tensiones tanto de tracción como de compresión. Aunque en ingeniería se distingue entre el esfuerzo de compresión (axial) y las tensiones de compresión.
En un prisma mecánico el esfuerzo de compresión puede ser simplemente la fuerza resultante que actúa sobre una determinada sección transversal al eje baricéntrico de dicho prisma, lo que tiene el efecto de acortar la pieza en la dirección de eje baricéntrico. Las piezas prismáticas sometidas a un esfuerzo de compresión considerable son susceptibles de experimentar pandeo flexional, por lo que su correcto dimensionado requiere examinar dicho tipo de no linealidad geométrica.
2.1.1 COMPRESIÓN El esfuerzo de compresión es la resultante de las tensiones o presiones que existe dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reducción de volumen del cuerpo, y a un acortamiento del cuerpo en determinada dirección (Coeficiente de Poisson).
2.1.2 ESFUERZO DE COMPRESION
En una pieza prismática no-esbelta, y que no sea susceptible de sufrir pandeo sometida a compresión uniaxial uniforme, la tensión el acortamiento unitario y los desplazamientos están relacionados con el esfuerzo total de compresión mediante las siguientes expresiones:
Dónde:
: es la tensión de compresión
: el acortamiento unitario o deformación unitaria.
: el campo de desplazamientos a lo largo del eje baricéntrico del prisma.
: el módulo de elasticidad longitudinal.
6. CAPÍTULO III. DISEÑO DE MODULO DE COMPRESION
3.1 MODULO DE COMPRESION
El ensayo de compresión se realiza para determinar las propiedades de un material frente a una solicitación axial negativa. Solicitación que pretende comprimir la probeta de ensayo.
Este módulo de compresión estará acoplado a una prensa, que es un dispositivo que se utiliza para compactar. El término procede del catalán “premsa" y está vinculado a ejercer una presión o emplear una fuerza.
La prensa hidráulica, presenta un mecanismo con vasos comunicantes que son puestos en marcha por pistones y que, a través de diversas fuerzas de poca intensidad, permite conseguir otras fuerzas de compactación más intensas. 3.2 MATERIALES Y COSTO
MATERIALES
PESO TOTAL
TIPO
COSTO
2 planchas circulares
4.5 kg
Acero
S/. 31
3 barras cilíndricas
1 kg
Acero
S/. 9
3 probetas
0.2 kg
Aluminio
S/. 10
Lata de spray
S/. 10
TOTAL
S/. 60
7. 3.3 PROBETAS
Se usaran tres probetas cilíndricas de dimensiones iguales, estas probetas será de aluminio, cabe decir que el estudiante puede optar por otros materiales, en este caso usamos el aluminio para lograr una máxima deformación.
Según el estándar ASTM E-9 reconoce 3 tipos de probeta (cortas medianas y largas), podemos optar por considerar una probeta corta, de esta manera lograríamos reducir la deformación por pandeo.
En nuestro caso la probeta tendrá las siguientes medidas:
Altura = 27 mm
Diámetro = 12 mm
8. Se suele tener las siguientes consideraciones necesarias de acuerdo al tamaño de cada probeta: Las probetas cortas (pruebas de compresión de materiales), medianos (propiedades mecánicas generales), largas (ensayo de columnas); (L/D) de 1,5 o 2 para materiales de alta resistencia.
Nosotros optaremos por usar probetas cortas.
3.4 HERRAMIENTAS A USAR.
Arco de sierra.
Taladro y broca para acero.
Torno.
Vernier o pie de rey.
Prensa hidráulica.
Electrodos.
Soldadora.
3.5 INICIO DE DISEÑO DE MODULO
A. Analizamos nuestro campo de acción, en este caso nuestro modulo debe esta acondicionado para ser usado en la prensa mecánica que existe en el maquicentro.
B. Al ya tener los materiales adecuados, procedemos a crear 3 agujeros en cada plancha, pero en uno de ellos solo realizaremos el agujero hasta la mitad del espesor de la plancha.
9. C. Usamos taladros para realizar los agujeros.
D. Tomamos las barras circulares y las cortamos con un arco de sierra, en 3 partes iguales y procedemos a darle un acabo mejor usando el torno, con el haremos una superficie mejor en las barras, para así ser soldadas en la plancha inferior. Estos serán soldados en la plancha con los agujeros que están solo a la mitad del espesor y además servirán de guía para la plancha superior.
E. Se presentó un problema al intentar soldar las barras de manera vertical, pero con paciencia y destreza pudimos unir las tres barras de manera correcta, y así juntar las planchas.
F. Al final pintamos el módulo de color plateado para darle un aspecto más agradable y de esta manera terminar nuestro módulo de compresión.
10. CAPÍTULO IV. ANÁLISIS Y DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
4.1 CONSIDERACIONES AL INICIO DEL ENSAYO DE COMPRESIÓN
Desde el punto de vista de Resistencia de Materiales, existen muchos inconvenientes que se debe tomar en cuentas para una correcta aplicación teórica en la prueba de ensayo:
Dificultad en aplicar una carga verdaderamente concéntrica o axial.
El efecto de irregularidades de alineación dentro de la probeta se acentúa mientras la carga prosigue.
La fricción entre los puentes de la máquina de ensayo o las placas de apoyo y las superficies de los extremos de la probeta debido a la expansión lateral de ésta.
A medida que la longitud de la probeta se aumenta, se presentan una tendencia creciente a hacia la flexión de la pieza, con la siguiente distribución no uniforme del esfuerzo sobre una sección recta.
Aunque con esta prueba puede determinarse muchas propiedades mecánicas importantes de un material, se utilizan principalmente para determinar la relación entre el esfuerzo normal promedio y la deformación normal unitaria en muchos materiales utilizados en ingeniería, sean de metal, cerámica, polímeros o compuestos.
4.2 PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO DE COMPRESIÓN
A. Tomamos las medidas iniciales de la probeta, de longitud y diámetro, si es necesario tomamos imágenes ulteriores, para así lograr comparar de mejor manera los resultados.
B. Nos familiarizamos con la máquina e
instrumentos de ensayo y se colocan los aditamentos correspondientes para sujetar la probeta .Se procede a bajar la máquina para colocar la probeta en el lugar indicado, asegurando que este lo más centrada posible a la base.
11. C. Nos cercioramos de que la prensa este sujetando a la prensa lo suficiente, pero sin ejercer gran presión.
D. Empezamos a ejercer presión en la gata hidráulica, tomando valores cada cierto periodo de tiempo, para observar la variación longitudinal que se generará.
4.3 CONCIDERACIONES TEORICAS
• Acortamiento (Δh): es la variación de la altura.
• Esfuerzo normal (σ): se define como la intensidad de fuerza por unidad de área. Es perpendicular al área.
• Cuando se comprime el material tiende a ampliarse. Se usa el al cual se le llama esfuerzo normal o esfuerzo convencional.
• Deformación unitaria (Є): se determina
directamente dividiendo el cambio de altura entre la altura original.
• Esfuerzos verdaderos (σ’): debido al cambio del área de la probeta durante el ensayo, se determina el esfuerzo real considerando el área variable.
• Curva esfuerzo-deformación unitario: Los
diagramas de esfuerzo-deformación unitario para compresión y tracción tienen, con frecuencia, formas similares. Sin embargo, después de que comienza la fluencia el
comportamiento es muy distinto.
Los materiales frágiles se fracturan prácticamente sin sufrir deformación plástica. Además los materiales frágiles exhiben una resistencia mucho más elevada a compresión axial que a tracción axial.
12. 4.4 RESULTADOS Y TABLAS.
Adicionalmente se tiene:
– E: Módulo de elasticidad del aluminio.
– D: Diámetro de la probeta.
– 20 ton *9.8m/seg = 196 KN.
Ensayo de laboratorio
Medidas iníciales: Medidas finales:
Diámetro: 12mm Diámetro: 12.5mm
Longitud: 27mm Longitud: 26.5mm
• Para hallar el límite de fluencia del aluminio se tiene: =0.004; E=70Gpa; σ=?
σ=0.004*70Gpa=0.28Gpa.
• Para determinar la carga: σ=0.28Gpa; =0.012m; F=?
F= =31.667KN.
• Por lo tanto la carga requerida para =0.004 será:
Q=0.00323Ton.
• La longitud final después del ensayo en el límite de fluencia será:
; = (1- )=27(1-0.004)=26.892mm.
ᵹ= =27-26.892=0.108mm.
• Entonces para realizar nuestro ensayo dentro de la zona elástica; el alargamiento de nuestra probeta no debe superar 0.108mm. Si llegase a superar ese valor estaríamos ubicados en la zona plástica, en la cual no podríamos determinar la fuerza a partir de la ley de Hooke.
13. TABLA 01
MATERIAL DE PROBETA : aluminio
LONGITUD : 27 mm
DIAMETRO : 12 mm
Carga (F)
(Kgf)
Deformación (δ)
(centésimas de mm)
3228.06606
0.108
2824.5578
0.0945
2421.04954
0.081
2017.54128
0.0675
1614.03303
0.054
TABLA 02
Carga
(F)
(Kgf)
Deformación
(δ)
(centésimas de mm)
Esfuerzo convencional
(σ)
(G
Deformación unitaria convencional
(Є)
(mm/mm)
3228.06606
0.108
0.28
0.004
2824.5578
0.0945
0.245
0.0035
2421.04954
0.081
0.21
0.003
2017.54128
0.0675
0.175
0.0025
1614.03303
0.054
0.14
0.002
TABLA 03
Carga
(F)
(Kgf)
Esfuerzo convencional
(GPa)
Esfuerzo real
(σ’)
(GPa)
Ductilidad
(Dl)
%
3228.06606
0.28
0.27888
0.4
2824.5578
0.245
0.2441425
0.35
2421.04954
0.21
0.20937
0.3
2017.54128
0.175
0.1745625
0.25
1614.03303
0.14
0.13972
0.2
14. CONCLUSIONES
Este método es muy práctico para conocer el comportamiento de material bajo esfuerzos permanentes, cuando el material presenta comportamiento frágil a tracción. La resistencia del material a las cargas es inversamente proporcional a la intensidad y a la frecuencia de las deformaciones que experimenta. Hemos dicho que el aluminio es un material dúctil. Se puede observar en los resultados del ensayo que la probeta ha disminuido de longitud, pero a cambio, ha aumentado su diámetro sin romperse, por lo que se demuestra su ductilidad.
A través del ensayo realizado en el laboratorio se puede concluir que el aluminio presenta poca resistencia a la compresión. Gracias a esto se puede analizar que no todos los materiales presentan la misma resistencia, esto nos indica que si un material tiene gran resistencia a la compresión es posible que tenga una baja resistencia a la tensión y viceversa, es por esto que es de gran importancia conocer las características de cada uno de los materiales para evitar cualquier tipo de problemas o falla en la aplicación de estos.
Los resultados obtenidos de la prueba de ensayo, podemos decir que son aceptables, porque los valores obtenidos se encuentran dentro de los rangos teóricos de resistencia de materiales.
Al no tener instrumentación adecuada para lograr medir la fuerza de compresión, debemos considerar que todos los cálculos obtenidos, se están considerando dentro de la zona elástica para que de esta manera podamos usar las formulas clásicas de esfuerzo y deformación.
La ley de Hooke solo es aceptable en la zona elástica, al llegar nosotros a limites plásticos, podremos considerar que estamos trabajando con limites críticos y esfuerzos de fluencia.
15. OBSERVACIONES
La probeta usada, no fue minuciosamente estudiada para ensayos de compresión, esta solo fue obtenida mediante una fundición artesanal. Por lo tanto debemos tener en cuenta que su estructura cristalina no es completamente uniforme y no cumplirá con todas las normas de estandarización.
Por falta de instrumentación, se nos limitó a poder tener un mayor control en la aplicación de carga en las probetas, por este motivo hallamos la carga mediante la deformación obtenido de manera analítica.
Tener en cuenta que todos lo aprendido en cursos de Mecánica de Materiales, siempre hemos trabajado con esfuerzos críticos o máximos de fluencia, estos no podían exceder la zona elástica de manera que debemos tener en cuenta la carga aplicada en la probeta.
Al ser nuestro modulo hecho de acero en su totalidad, debemos saber que estos aceros no están térmicamente tratados, así que no es recomendable usar probetas del mismo material (aceros en general), para no lograr que sea el modulo el quien se deforme.
En general debemos optar por usar probetas que sean menos resistentes que el acero como: aluminio, cobre, bronce y tal vez probetas de concreto.
