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Laboratorio Experimental 2: Elasticidad y dureza

Práctica elaborada por la cátedra de Ciencia de los Materiales.

LA MAQUINA UNIVERSAL

Descripción:

La máquina universal de ensayos es del tipo AMSLER, marca CIFIC, de industria Argentina, que posee una capacidad máxima de 30 toneladas.

La denominación de máquina universal proviene de que la misma, con el agregado de los accesorios adecuados, permite realizar la mayoría de los ensayos mecánicos estáticos (tracción, compresión, flexión, corte, dureza, plegado, etc.)

Partes Principales:

a) Estructura de fundación:

La instalación de la máquina requiere una superficie mínima de 3,50 por 2,00 metros de base y 3,50 metros de altura.

La fundación se hace en dos bases, de hormigón o mampostería, según dimensiones establecidas por la fábrica, que sobresalen del nivel del piso del local y están apoyadas sobre planchas de corcho para aislar las vibraciones.

b) Depósito de aceite:

Es de forma prismática y tiene una capacidad aproximada de 7 litros.

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Contiene aceite mineral, sin detergentes, de viscosidad S.A.E. 20.

c) Bomba:

Es del tipo diferencial, alternativa, a émbolo de tres cilindros. Su accionamiento está dado por un motor eléctrico de 1 HP de potencia.

La presión de trabajo es del orden de los 160 Kg./cm2, o sea que es de alta presión. Cuando esta presión del aceite, que ingresa al regulador, es superior a la normal, una válvula de seguridad lo retorna al depósito.

d) Pulmón amortiguador o regulador de presión:

Representa una de las piezas más importantes, ya que el tipo de ensayos que se realizan (estáticos) no serían factibles de llevar a cabo por la inyección directa de la bomba a la prensa, debido a que su accionamiento intermitente se transmitiría a los incrementos de carga.

El aceite sale de la bomba en forma brusca y por impulsos; para conseguir las condiciones normales de ensayo es

Pulmón amortiguador

Motor eléctrico

Bomba

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que se intercala el pulmón regulador, cuya misión es producir un flujo constante. Ello se consigue mediante la acumulación de fluido durante la carrera activa o de presión, siendo éste devuelto al circuito durante el desplazamiento pasivo o de admisión.

Este proceso se cumple por el efecto de la presión del fluido, que al actuar sobre el émbolo inferior del regulador, deforma a un resorte, cediéndole la energía cinética que traía. Éste último la almacena para cederla luego, actuando como compresor.

e) Gabinete de comando:

El fluido, a presión uniforme, es enviado a una caja de válvulas, que dirige la circulación del aceite desde el depósito hacia la prensa y viceversa, por las correspondientes cañerías. Esta caja está compuesta por dos válvulas de tipo “aguja”, una para carga y la otra para descarga.

Otro de los dispositivos del gabinete de comando lo constituye el CONTACTOR ELECTROMAGNÉTICO, que posee una botonera para puesta en marcha y detención de la máquina; cuenta también los fusibles que actúan desconectando automáticamente el motor, cuando la intensidad de corriente supera un cierto valor.

También posee el contactor un relais, que sirve como interruptor del límite de carrera de los pistones de la prensa, cuando éstos alcanzan su máximo desplazamiento, que es de 20 cm.

Aparato registrador de esfuerzos

Válvula de descarga

Válvula de carga

Contrapeso fijo

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f) Prensa hidráulica:

Está formada por un cilindro y un émbolo, el que arrastra en su movimiento, mediante un travesaño, a dos columnas que son solidarias con la mesa móvil a través de aros de sujeción, que se colocan en acanaladuras existentes en las mismas.

La mesa móvil posee asimismo otras dos columnas que le sirven de guía, evitando desplazamientos y rotaciones peligrosas para la máquina, y posibilitando de ese modo las condiciones teóricas de ensayo axial. Como parte integrante de la prensa pueden considerarse al cabezal superior, ubicado en la parte inferior del cilindro; y al cabezal inferior, que está unido a la base de la prensa. Las columnas guías, mencionadas anteriormente, vinculan ambos cabezales.

Los distintos ensayos se realizan combinando: “mesa móvil” y “cabezal superior” para compresión, flexión, corte, dureza, plegado; en cada caso con el empleo de los accesorios correspondientes; “mesa móvil” y “cabezal inferior” para tracción.

El cabezal superior posee en su parte frontal un tornillo que sirve para fijar los mandriles o platos de aplicación de cargas.

El cabezal inferior y la mesa móvil poseen dispositivos levanta cuñas, que se utilizan para acomodar las mordazas.

Por otra parte las columnas guías poseen “soportes deslizantes”, usados para el cambio de posición de la mesa móvil.

El aceite que sale de la caja de válvulas va hacia el cilindro de la prensa por el conducto respectivo, previo paso por una válvula de seguridad. El cilindro de la prensa se compone de en realidad de dos cilindros concéntricos, cada uno de los cuales permite capacidades de carga y velocidades de aplicación diferentes, procesos que se consiguen mediante una llave que tiene el cilindro en su parte superior y cuyo funcionamiento se detallará luego. El de menor sección, que es el de menor capacidad de carga y mayor velocidad de desplazamiento, tiene su émbolo relacionado al travesaño mencionado, para movilizar la mesa móvil; el de mayor sección, también vinculado al travesaño, tiene como émbolo al cilindro de menor sección y trabajan así vinculados.

En la parte superior del cilindro existe un fuelle constituido por una fibra de origen animal que produce un cierre

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hermético contra el travesaño, para que no vierta y pierda el aceite empleado.

El interruptor de carrera del cilindro entra en funcionamiento a través de una planchuela vinculada rígidamente a una de las columnas que accionan la mesa móvil y que al desplazarse presiona sobre una rueda que gira sobre su eje propio y rota alrededor de otro eje exterior hasta cerrar un circuito que acciona el relais correspondiente en el contactor electromagnético.

Mesa móvil

Dispositivo levanta cuñas

Columna móvil

Columna fija

Cabezal inferior

Prensa

Combinación cilindros

Columna fija

Cabezal Superior

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g) Aparato registrador de esfuerzos:

Es, en esencia, un dinamómetro pendular hidráulico cuyo esquema de funcionamiento es el siguiente: la presión de aceite que actúa en la prensa se comunica a un pequeño cilindro, a través del conducto correspondiente, que se encuentra ubicado arriba del gabinete de comando, atrás y a la derecha del cuadrante. Este cilindro posee un émbolo cuyo vástago hace girar un eje a través de una pieza rígida vinculada al mismo, accionando sobre ella.

En el eje mencionado se encuentran los elementos que a continuación se detallan, enunciándolos desde la parte posterior hacia la parte anterior de la máquina:

1) El elemento mencionado, sobre el cual actúa el vástago del émbolo.

2) Cojinetes de apoyo del eje.

3) Palanca acodada que transforma el movimiento de giro del eje en desplazamiento de una varilla roscada. Posee en su extremo un lápiz cuyo movimiento sobre el papel arrollado en el tambor registrador determina los incrementos de carga.

4) Sistema pendular que equilibra el esfuerzo transmitido sobre el aparato por el cilindro. Está formado por un brazo que en su extremo inferior posee un eje sobre el que va colocado el contrapeso fijo del péndulo; este eje a su vez se encuentra atravesado formando un mismo plano pero oblicuo con respecto al brazo, por el contrapeso móvil. El contrapeso fijo se utiliza para trabajar en los distintos rangos de medición de la máquina y al móvil se lo emplea para ajustar o corregir el cero de la máquina, o sea colocar la aguja del manómetro en correspondencia con el cero del cuadrante.

5) Aguja de carga o aguja del manómetro, que indica, sobre el dial o cuadrante, la fuerza que en ese momento está aplicando la máquina. Ésta aguja arrastra en su movimiento a una aguja de máxima, cuyo objeto es determinar la mayor carga registrada; se la vuelve a su posición de cero del dial mediante una perilla que a tal efecto posee.

Las deformaciones que experimentan las probetas a ensayar se determinan mediante la rotación de un tambor. Ésta se consigue arrollando, en una pequeña garganta con que cuenta, un hilo, uno de cuyos extremos se sujeta a la mesa móvil y el otro a una pesa de 250 gramos, para mantenerlo tenso, pasando a través de poleas intermedias. Por la combinación de los movimientos de rotación del tambor y del desplazamiento del lápiz sobre el mismo, se obtiene

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en el papel el diagrama “carga-deformación”.

Rangos para la medición de cargas de la máquina:

Son cuatro; se consiguen combinando la posición del cilindro con la colocación del contrapeso del péndulo, según el siguiente cuadro:

ESCALA POSICIÓN DE LA LLAVE DEL CILINDRO PÉNDULO

(0-30) tn Destornillado a fondo Con contrapeso

(0-15) tn Destornillado a fondo Sin contrapeso

(0- 6) tn Atornillado a fondo Con contrapeso

(0- 3) tn Atornillado a fondo Sin contrapeso

Para cualquier medición se puede garantizar la siguiente posición. Hasta la mitad de cada escala: +/- 0,5 % del máximo de la carga. Para valores mayores de la mitad de cada escala viene dado: +/- 1,0 % de la carga leída.

Cambio de posición de la mesa móvil de la prensa:

La plataforma o mesa móvil de la prensa podrá desplazarse a lo largo de las columnas y ubicarse a distintas alturas según el escalón donde se coloquen los aros de sujeción, de forma que pueda aumentarse o disminuirse la separación entre las mordazas de tracción y/o platos de compresión, flexión, etc.

a) Para subirla:

1) Se pondrá en marcha el motor y se destornillará el grifo de carga para que suba la mesa y llegue a su límite superior, donde se detiene automáticamente.

2) Se subirán los soportes deslizables que se encuentran en las columnas guías hasta que toquen la mesa móvil y se los fijará atornillando las manijas correspondientes.

3) Se destornillará el grifo de descarga para que baje el pistón y puedan extraerse, de las columnas o tensores, los aros partidos de sujeción de la plataforma.

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4) Se extraerán los aros partidos separándolos, en caso de ser necesario, con la ayuda de un punzón que se introducirá en sendos agujeros; y se los volverá a colocar en otro escalón de la columna, un poco más arriba.

5) Se destornillará el grifo de carga hasta que el pistón suba arrastrando a los dos tensores, de manera que los aros vuelvan a sus alojamientos en la mesa móvil; luego de esto, se cerrará el grifo de carga.

6) Se aflojarán los dos soportes corredizos y se los colocará en la parte inferior de las columnas guía.

b) Para bajarla:

1) Se destornillará el grifo de descarga para asegurarse de que la mesa ha descendido completamente.

2) Se atornillará el grifo de descarga y se abrirá el de carga hasta que la mesa móvil suba unos 5 o 10 cm, y se lo volverá a cerrar.

3) Se levantarán los dos soportes deslizables hasta que toquen la plataforma de carga, y se los fijará girando las manijas correspondientes.

4) Se abrirá el grifo de descarga para que el pistón baje.

5) Se extraerán los dos aros partidos de los alojamientos que ocupan en las muescas de los tensores y se los volverá a colocar una o dos muescas más abajo.

6) Se cerrará el grifo de descarga y se abrirá el de carga para que el pistón suba y los aros partidos vuelvan a sus alojamientos en la mesa móvil; luego se cerrará el grifo de carga.

7) Se aflojarán los dos soportes corredizos y se los colocará en la parte inferior de las columnas guías.

En todas las operaciones descriptas para cambios de posición de la mesa móvil, conviene utilizar el cilindro de menor sección, porque permite una mayor velocidad de desplazamiento.

ENSAYO DE TRACCION

Descripción:

Este es el ensayo que mejor revela el comportamiento de los metales cuando son sometidos a cargas estáticas.

Permite no sólo deducir algunas de sus propiedades tecnológicas más importantes (tenacidad, ductilidad), sino también obtener el límite de elasticidad, o aquél que lo reemplace en caso de que no lo hubiera.

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Asimismo puede conocerse la carga máxima y la consiguiente resistencia estática a la tracción, en base a cuyos valores puede determinarse la tensión admisible o de trabajo; y mediante el empleo de fórmulas deducir las características que presentaría el material al ser sometido a otros esfuerzos y ensayos(corte, dureza, etc.).

Máquina utilizada y accesorios correspondientes:

Se emplea la máquina universal marca CIFIC tipo AMSLER, con capacidad de 30 toneladas.

Los accesorios que se utilizan para el caso de ensayo de “barras en general” permiten el amarre mediante cuñas planas o cuñas provistas de canaletas en “V”.

Las cuñas planas se emplean para el amarre de planchuelas y alambres; las cuñas en “V” para barras cilíndricas.

Cuando la barra cilíndrica sea de pequeño diámetro, que no pueda ser amarrada por las cuñas en “V”, queda la posibilidad de fijarla empleando la combinación de una plana y una en “V”, o las dos planas directamente.

Las cuñas se introducirán de a pares en los alojamientos superior (mesa móvil) e inferior (cabezal inferior).

Para sostenerlos al introducir la barra a ensayar, se dispone de sendos dispositivos “levanta cuñas”: uno en la mesa móvil y el otro en el cabezal inferior.

La barra a ensayar se introducirá de manera que pueda ser aprisionada en los extremos por las cuñas de amarre, cuidando que el eje de la barra permanezca coincidente con el eje de la máquina, de modo que el esfuerzo sea realmente axial.

Para el ensayo de probetas normalizadas se emplea un dispositivo que tiene dos articulaciones para permitir el acomodamiento de la probeta según el eje del esfuerzo. Para el amarre de este tipo de probetas se procede así:

Dispositivo para amarre de probetas normalizadas tipo de aros partidos.

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Se fija la parte superior del dispositivo (la más larga) con las cuñas en “V” a la plataforma móvil, y la parte inferior (la más corta) de igual manera al cabezal inferior.

Debe desplazarse la plataforma móvil de la máquina, hasta colocarla en una posición que resulte adecuada con la longitud de la probeta a ensayar.

Se coloca la probeta de manera que la cabeza de la misma calce en el anillo partido correspondiente (hay dos juegos de anillos de diferentes dimensiones). Luego se unen dos mitades del soporte y se las mantiene unidas colocando la cubierta que a tal efecto poseen cada uno de los dispositivos.

Procedimiento operativo de ensayo:

Se adecuará la máquina para el rango de medición elegido (de 0 a 3-6-15 o 30 toneladas).

Se colocará la probeta en la forma indicada en el apartado anterior.

Se realizará el ajuste del cero del cuadrante en la escala correspondiente.

Se destornillará lentamente el grifo de carga hasta obtener la velocidad de carga adecuada, y se la mantendrá hasta la rotura de la probeta, instante en el cual se tornilla el grifo de carga.

Se anotará la carga máxima que soportó la probeta, la cual permanece indicada por la aguja de máxima.

Ubicación de dispositivo amarra probetas y probeta normalizada en mordazas de la máquina universal de ensayos.

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Se extrae la probeta rota y destornilla el grifo de descarga para que la mesa móvil descienda otra vez.

Probetas: especificaciones de las normas

La norma IRAM 102 da la siguiente especificación sobre probetas para ensayo a tracción de materiales férreos y no férreos, fijando como dimensión principal el diámetro do=20mm:

Designación

Longitud

Inicial

Longitud

Calibrada

Longitud

Total

Diámetro

Inicial

Sección

Inicial

lo (mm) lc (mm) lt (mm) do(mm) So (mm2)

Probeta normal larga 10 do = 200 220 320 20 314

Probeta normal corta 5 do = 100 120 220 20 314

Probeta proporcional larga 10 do = 11,3√So (lo + do) indeterminado indeterminado -

Probeta proporcional corta 5 do = 5,65√So (lo + do) indeterminado indeterminado -

Determinación de la sección de rotura:

En caso de probetas cilíndricas, se mide el diámetro de rotura en dos direcciones perpendiculares entre sí y luego se halla el valor medio: d=(d1+d2)/2.

Determinación de la longitud final entre puntos fijos:

Antes del ensayo se divide la longitud inicial en 10 o 20 partes según sea la probeta, normal corta o normal larga; marcando muy suavemente sobre la superficie de ésta.

Luego de producida la rotura:

a) Si ésta se produjo dentro del tercio medio � se enfrentan los trozos de las probetas y se mide la longitud final (distancia entre trazos extremos o marcas de referencia).

b) Si ocurrió fuera del tercio medio � se numerarán los trozos como indica la figura, llamando 0 a la marca más próxima a la sección de rotura y continuando en forma progresiva a todas las marcas existentes como se detalla a continuación:

5 4 3 2 1 0 1 2

F2 Z F1

l3 l1

l2

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En el trozo corto, todas las marcas hasta la de referencia F1, y en el trozo largo hasta el punto Z, un número de marcas igual a la mitad del número total de divisiones de la probeta.

Se mide en el trozo corto la distancia entre la marca de referencia F1 y el punto en que la sección de rotura corta a la recta imaginaria de referencia, y se le llama l1.

En el trozo largo se mide la distancia entre el punto Z y el punto en que la sección de rotura corta a la recta imaginaria de referencia, y se le llama l2.

En el trozo largo se cuenta, partiendo del punto Z hacia la sección de rotura, el número de divisiones que faltan al trozo corto para completarla mitad del total de divisiones, midiéndose esa longitud l3.

Para determinar el alargamiento de rotura se considera como distancia final entre puntos de referencia a: l = l1 + l2 + l3.

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Planilla de Registro de Resultados

Tracción Estática de Metales

Material a ensayar:

Laboratorio:

Ensayo realizado por:

Normas Consultadas:

Máquina empleada:

Sensibilidad del ensayo:

Accesorios:

Probeta (hacer croquis):

Tiempo de ensayo:

Valores Iniciales Valores Finales

Diámetro (mm) d0 d

Espesor (mm) e0 e

Ancho calibrado (mm) a0 a

Sección (mm2) So S

Longitud entre marcas (mm) l0 l

Observaciones:

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Resultados del Ensayo

Designación Símbolo Fórmula Valor

Carga al límite proporcional Pp Del gráfico Kg

Carga al límite de fluencia Pf Del gráfico Kg

Carga Máxima Pmax Del gráfico o dial Kg

Tensión al límite proporcional sp Pp / S0 Kg / mm2

Tensión al límite de fluencia sf Pf / S0 Kg / mm2

Resistencia estática a la tracción sET Pmax / S0 Kg / mm2

Alargamiento de rotura % d% {(l – l0 )/ l0 } 100 %

Estricción % Y% {(S0 - S)/ S0 } 100 %

Diagrama del ensayo:

Fractura (graficar tipo):

Conclusiones:

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ENSAYO DE DUREZA

Definiciones

Dureza: Es la mayor o menor resistencia que un cuerpo opone a ser rayado o penetrado por otro.

Ensayos estáticos de penetración: Fijan la dureza de los metales por la resistencia que oponen a la penetación de una bolilla de acero o de carburo, o bien a un diamante cónico o piramidal, midiéndola como la relación entre la carga aplicada al penetrador y el área o profundidad de la impresión producida.

Descripción:

Para la descripción detallada de los accesorios remitirse al manual del DURÓMETRO UNIVERSAL IBERTEST Modelo DU-250.

Visor Dureza Brinell y Vickers

Palanca de Carga

Indicador de Dureza

Penetrador

Selección de carga

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Procedimiento de verificación según ROCKWELL:

Preparación del ensayo:

Montar la pieza de apoyo.

Montar el penetrador, elegir las cargas según tabla (remitirse al manual de la máquina ).

Llevar a cabo dos ensayos con el fin de asegurarse de que existe un asiento correcto entre el penetrador y el apoyo.

Medida:

Poner la palanca de mando en posición vertical hacia arriba.

Poner sobre la meseta de apoyo la pieza que se va a controlar apretándola ligeramente contra el penetrador mediante el volante de cuatro manetas situado al pié del husillo.

Introducir la precarga bajando lentamente la palanca de mando 90º y poniéndola horizontal hacia adelante.

Caja con accesorios para determinación de Dureza:

Penetradores, placas patrones, llaves y destornillador y plato para probetas cilíndricas.

Caja con accesorios para determinación de Dureza:

Lentes y reglas para medir improntas.

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Situar el cero del reloj comparador en correspondencia con la aguja del mismo, es decir, poner dicha aguja sobre el cero. Esto es igualmente válido para la verificación según Rockwell B.

Actuar la carga principal bajando la palanca de mando a la posición vertical hacia abajo. El amortiguador regula un aumento progresivo de la carga.

Tan pronto como la aguja indicadora se pare, quitar la carga principal, poniendo la palanca de mando en posición horizontal hacia adelante.

Efectuar la lectura de valor de dureza sobre el comparador. La división interior es válida para los procedimientos Rockwell C y D, la división exterior es válida sin embargo para los procedimientos Rockwell B y G.

Quitar la precarga poniendo la palanca de mando en la posición vertical hacia arriba.

Procedimiento de Ensayo según BRINELL y VICKERS

Preparación de la verificación:

Poner la pieza de apoyo.

Montar el penetrador.

Elegir el factor de amplificación y situar el ocular y la regla de medida correspondiente en su lugar correcto.

Seleccionar las cargas.

Conectar el sistema de iluminación.

Poner la palanca de mando a 45º hacia atrás.

Medida:

Fijar la pieza que se va a ensayar, y determinar la posición mediante el sistema de proyección.

Poner la carga.

Tan pronto como la aguja del reloj comparador se pare, volver a poner la palanca de mando en su posición de partida, 45º hacia atrás.

Medir la huella sobre el vidrio mate y buscar el valor de dureza respectivo en las tablas.

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Planilla de Registro de Resultados

Dureza

Material a ensayar:

Laboratorio:

Ensayo realizado por:

Normas Consultadas:

Máquina empleada:

Escala de Dureza Utilizada:

Accesorios:

Medición Nº Valor Obtenido Observaciones

1

2

3

4

5

Observaciones:

Conclusiones: