Informe de Laboratorio

Gua de laboratorios de Propiedades Mecnicas

Departamento de Ingeniera Metalrgica USACH. A. Monsalve G. 1

EL INFORME DE LABORATORIO COMO HACER UN INFORME DE LABORATORIO APRENDIENDO Y

OBTENIENDO UNA BUENA CALIFICACIN

Introduccin

Una actividad de laboratorio consiste en una o ms experiencias donde se pretende una o ms de los siguientes objetivos: ensear un principio de manera prctica, ensear una destreza, afianzar un principio.

A la hora de realizar un informe de laboratorio este aspecto debe tenerse muy en cuenta; el alumno debe preguntarse qu principio se ha mostrado o qu destreza se ha desarrollado o qu principio se ha afianzado?

Tambin debe tenerse presente que cada actividad de laboratorio debe poseer objetivos bien definidos y en este sentido es til que el alumno se pregunte por estos objetivos cuando se realiza el informe.

No obstante, no slo se deben tener presente estos aspectos durante la realizacin del informe final, sino tambin y muy especialmente en la realizacin de la experiencia propiamente dicha. Al respecto, las experiencias de laboratorio constituyen la forma de conectar lo aprendido en las numerosas horas de teora con los aspectos prcticos que, se quiera o no, acompaan la mayor parte del quehacer laboral de ingenieros y cientficos. Por otro lado, es bueno tener presente que una experiencia de laboratorio normalmente es una actividad que requiere de equipamiento ms o menos sofisticado, materiales y equipos menores. Todo esto supone un esfuerzo econmico a tenerse en cuenta.

Estructura

La estructura del informe debe ser de manera ms o menos invariable la siguiente:

Resumen

Objetivos

Introduccin

Base terica

Procedimiento experimental

Resultados y anlisis de los resultados

Conclusiones

Bibliografa



Anexos

A continuacin se analizarn cada una de estas partes por separado poniendo nfasis en los aspectos ms importantes de ellos.

Resumen

En no ms de 200 palabras debe narrarse la experiencia realizada: lo que se midi, qu tipo de probetas se us, de qu material, el equipamiento que se utiliz y finalmente enunciar muy brevemente los resultados hallados. Hacer que esto se pueda expresar en 200 palabras (ms o menos) no es tarea fcil.

Introduccin

Debe contener una descripcin general de la experiencia, comentando los aspectos ms relevantes que lo relacionan con la teora. Debe contener los objetivos generales y especficos, los que deben ser tenidos en cuenta en la elaboracin de las conclusiones.

En la introduccin, no deben incorporarse largos debates en torno al tema del laboratorio; en realidad su extensin no debera exceder una o dos pginas. Por ningn motivo deben incluirse descripciones de parte del procedimiento experimental o incluirse resultados parciales o finales. Desde luego no deben incluirse conclusiones.

Base Terica

Este es un aspecto que debe ser cubierto con detalle. Deben plantearse las ecuaciones y enunciarse los principios bsicos relacionados con la experiencia de laboratorio de que se trate. Deben resaltarse aquellas ecuaciones y/o principios directamente abordados en la experiencia.

No deben incluirse resultados ni conclusiones.

Un aspecto importante a tener en cuenta en esta seccin es el de las referencias bibliogrficas. Deben aparecer citados los textos, apuntes, artculos o direcciones electrnicas que hayan sido usadas en la elaboracin de esta seccin. Es normal usar un nmero entre parntesis y como superndice para las citas bibliogrficas. Por ejemplo:

...el factor crtico de intensidad de tensiones es funcin del espesor del material (6)...

Las ecuaciones deben ser numeradas en orden correlativo. Por ejemplo:

nK = (4)

nu = (5)



Procedimiento Experimental

Debe hacerse una descripcin de los equipos utilizados. Debe mencionarse el nombre, modelo, capacidad, forma de funcionamiento y otros antecedentes que sean importantes. Por ejemplo:

Se utiliz una mquina de fatiga Rumul, modelo Mecatronic, de 10 kN de carga dinmica y 20 kN de carga esttica. Este equipo funciona introduciendo una carga oscilatoria proveniente de una condicin de resonancia obtenida del sistema electromecnico constituido por un electroimn, un par de espiras, un sistema de masas intercambiables, el sistema de mordazas y la muestra.

Los equipos menores tales como pie de metro, micrmetro etc. slo deben ser mencionados, pero no descritos.

A continuacin debe describirse el procedimiento experimental usado debindose incluir la geometra de las probetas usadas, su composicin qumica y tratamientos trmicos. De ser posible debe comentarse la composicin qumica y los aspectos ms importantes de los tratamientos trmicos. Por ejemplo:

El acero inoxidable estudiado contiene un 18% de cromo y un 8% de nquel. El cromo le otorga su caracterstica de inoxidabilidad, en tanto que el nquel estabiliza la fase gamma, que es cbica centrada en las caras y por tanto, es conformable con mayor facilidad.

La fundicin ADI (austempered ductile iron) estudiada, bsicamente consiste en una aleacin de Fe, C y Si, con contenidos de C que oscilan entre 2 y 4%?. Se fabrica realizando un tratamiento trmico de austemperado.

No se deben incluir resultados, ni menos comentarlos. Se debe citar bibliografa cuando sea necesario.

Resultados y anlisis.

Los resultados deben ser entregados de forma clara. En aquellos casos en que los datos sean tomados a travs de un computador, NO DEBEN INCLUIRSE LAS TABLAS DE DATOS, cuando stos numerosos (tpicamente, cuando sean ledos digitalmente). Por el contrario, los datos deben entregarse en forma de grficas, identificndose claramente los nombres de cada eje y por supuesto, las unidades de cada uno.

Esta seccin es una de las ms importantes del informe y el alumno debe desplegar su capacidad de anlisis, relacionando causas y efectos, comparando unos resultados con los otros obtenidos en la experiencia actual o en experiencias anteriores. Los errores propios del trabajo experimental es correcto comentarlos, pero no deben transformarse en el centro del anlisis. El anlisis de resultados debe ser lo ms exhaustivo posible.



El anlisis de resultados debe estar constantemente apoyado por figuras y principios tericos. Por ejemplo:

.., tal como se muestra en la figura 7, la deflexin de la viga es proporcional a la carga aplicada y de acuerdo a la teora expresada en la ecuacin 6. Dicha deflexin es menor en aquellos casos en que el mdulo de Young es mayor, tal como lo predice la ecuacin 6 ya citada...

Cada figura debe tener un nmero que la identifique, que se pone al pie de la misma. En el caso de las tablas, deben ser numeradas correlativamente y su nmero identificatorio debe ponerse en la parte superior de la misma.

Es importante citar bibliografa, sobre todo en la parte de anlisis de resultados.

Conclusiones

En general cada una de las conclusiones deben estar relacionadas ya sea con los objetivos generales o con los objetivos especficos. Estas son las primeras que deben ser enunciadas. Enseguida, deben enunciarse aquellas conclusiones que no estn directamente relacionadas con los objetivos generales y/o especficos. Debe cuidarse de no confundir las conclusiones con los resultados.

Algunos ejemplos:

El esfuerzo de fluencia de los aceros estudiados es proporcional a la cantidad de carbono de los mismos.

La vida til a fatiga disminuye con el esfuerzo aplicado.

El esfuerzo de fluencia en el material estudiado es de 450MPa. Esta no es una conclusin, sino un resultado.

No se acostumbra citar bibliografa en esta seccin.

ASPECTOS A TENER EN CUENTA

Forma: La redaccin del informe de hacerse en tercera persona del singular. Por ejemplo:

Se midi la deflexin de la viga y no Medimos la deflexin de la viga.

Se calibr el extensmetro y no Calibr el extensmetro

Se traccion a rotura y no Traccionamos a rotura

Redaccin: sta constituye un objetivo de todos los laboratorios que nunca se plantea explcitamente, pero que siempre se evala. La razn de esto es obvia: en la vida profesional del ingeniero o cientfico, siempre ser necesario la emisin de informes y/o la



escritura de artculos tcnicos, incluso alguna vez en idiomas que no sean el espaol. Es estrictamente necesario leer lo que se ha escrito para saber si tiene sentido o si suena bien.

Por ejemplo:

Las mediciones de durezas fueron hechas en un durmetro Emco, utilizando la escala Rockwell C en vez de Las mediciones de dureza que se hicieron fueron hechas en un aparato. Durmetro Rockwell C, marca Emco.

Es aconsejable redactar de la misma manera que se habla, sin usar un estilo rebuscado o artificial.

Por ejemplo:

Se midi por microscopa ptica cuantitativa la cantidad de carburos presente... en vez de Se realiz una suerte de estimacin por intermedio de una tcnica avanzada que requiere de una gran habilidad por parte del operador, llamada de microscopa ptica cuantitativa, por medio de la cual se contabiliz concienzudamente la cantidad de carburo presentes...

Se deben evitar todo tipo de adjetivos que supongan subjetividad. En el ejemplo anterior, lo de tcnica avanzada resulta un poco pedante, pero se puede admitir; hay que recordar que la mayor parte de las tcnicas avanzadas est condenada a la obsolescencia en pocos aos. Lo de se contabiliz concienzudamente..., est de ms, ya que todo el trabajo prctico debe llevarse a cabo concienzudamente.

La redaccin debe ser clara cuidando especialmente la puntuacin. Si en algn momento se lee lo que se ha redactado acordarse de:

Poner comas cada vez que se haga una pausa para respirar.

Poner un punto seguido cuando se cambie de oracin.

Poner un punto aparte cuando se cambie de idea.

Poner dos puntos cuando se enumere.

Ortografa: Desde que es posible contar con el corrector de ortografa del procesador de textos, debiera esperarse una mejora en la ortografa en los presentados por los alumnos. Esto no ha sido as porque el corrector de ortografa no distingue entre palabras que tienen la posibilidad de usarse acentuadas o no. Por ejemplo:

Grfica: la grfica adjunta... para indicar una grfica, es decir, como sustantivo

Grafica: ...si se grafica..., es decir, para expresar la tercera persona del singular del verbo graficar.



Lmite: el lmite de la regin mostrada...

Limite: ... a no ser que se limite la cantidad de oxgeno....

En general, la ortografa corresponde a un objetivo de todo informe de laboratorio, por las mismas razones por las que lo es la redaccin.

Bibliografa

Debe ser citada a lo largo del desarrollo del informe, de la manera que se ha comentado anteriormente. Particularmente en las secciones de Base Terica y Anlisis de Resultados.

Las citas deben incluir autor o autores, nombre del libro o artculo, editorial, edicin, ao...etc.

Por ejemplo, para un libro:

F. Beer y E. R. Jhonston, Mecnica Vectorial para Ingenieros, McGraw-Hill Book Co., 5 Ed. 1990.

Para un artculo:

Bunge H.J., Technological Applications of Texture Analysis, Zeitschrift fur Metallkunde, 76, H7,pp. 455-470, 1985.

Errores

Todo trabajo experimental est sujeto a errores. Estos errores se pueden deber a errores propios de los instrumentos de medicin, a errores de lectura que dependen del experimentador y finalmente est el factor aleatorio relacionado con heterogeneidades del material. En todo caso, los errores asociados al trabajo experimental no constituyen un objetivo en s, por tanto no debe centrarse la discusin de resultados en este aspecto. Esto no quiere decir que no ameriten ser mencionados.

Unidades

Deben ser preferencialmente las unidades del sistema internacional o bien las del sistema mtrico. Tambin son aceptables las unidades del sistema ingls, aunque debe tratarse en todo momento de utilizar los dos primeros. En todo caso, hay que ser rigurosos en los siguientes sentidos:

Que las unidades sean correctas, es decir, que se empleen las unidades correctas: la energa en Joules o ergios, la potencia en Watt, el coeficiente de transferencia de calor en J/m2 s C...etc.

Que todas figuras, grficas y tablas, especifiquen claramente las unidades en que se han hecho las mediciones o se expresen los resultados.



Debe prestarse atencin a los cambios de unidades, preguntndose cada vez si tienen sentido los nmeros que se obtienen de cada cambio.

Un ejemplo muy simple: para convertir metros cbicos a litros, debe multiplicarse por 1000. As por ejemplo, 18 m3 corresponden a 18.000 litros. Un error usual consiste en dividir por 1000 en vez de multiplicar por esta cantidad. De esta forma se obtendran 0,018 litros en vez de los 18.000 que corresponden. Desde luego, estos 0,018litross (18 cm3) resultan una cantidad irrisoria para los 18 m3.

La Forma de Evaluacin

Todo informe en principio parte con la nota mxima. En una escala de 1 a 7, por mala redaccin se descuenta medio punto. Por mala ortografa se descuenta otro medio punto.

El anlisis de resultados es uno de los aspectos ms importantes, del informe. Un mal anlisis de resultados, descuenta un punto. Las conclusiones son otro aspecto importante a tomar en cuenta. Tal como se coment, deben ser claras y estar relacionadas con los objetivos. Un mal planteo de las conclusiones descuenta un punto. Otro aspecto importante, lo constituyen las referencias bibliogrficas. Deben estar relacionadas con el sitio en que se citan y desde luego deben ser comentadas. No hacer referencias o hacerlas mal descuenta medio punto. La presentacin debe ser inmejorable, con buenas figuras y grficas. En estas ltimas, la escala de los ejes debe ser legible, las curvas deben estar muy bien diferenciadas. Una mala presentacin resta otro medio punto.

Comentario Final

El objetivo de todo esto es que los alumnos aprendan a trabajar cientficamente en el laboratorio y que aprendan a informar correctamente sobre lo observado en el laboratorio y sobre lo aprendido.



EXPERIENCIA N 01

UNIDAD : LABORATORIO DE COMPORTAMIENTO MECNICO DE SLIDOS

CARRERA : INGENIERA CIVIL METALRGICA

TEMA: EL ENSAYO DE TRACCIN

1.- Introduccin

Se ensayarn a traccin uniaxial probeta ASTM estndar. Ser un ensayo a rotura, utilizndose un extensmetro para la medida de la deformacin y una celda de carga para la medida de la carga. Los datos sern tomados y procesados a travs del software UTM de la mquina de traccin Tinius&Olsen. Interesa evaluar los parmetros fundamentales del ensayo: lmite elstico, mdulo de Young, UTS, mxima deformacin a rotura, ajuste de Hollomon.

Se proceder a la caracterizacin del material desde el unto de vista metalogrfico informndose de aspectos como tamao y forma de los granos, presencia de segundas fases, etc.

2.- Objetivos

El alumno deber ser capaz de:

Operar el programa UTM, definir un ensayo, tomar y procesar los datos que provengan de l.

Interpretar los datos obtenidos en el ensayo y calcular los parmetros propios del mismo.

Correlacionar estos resultados con la caracterizacin microestructural del material.

3.- Metodologa

Se marcar juego de probetas estndar a una distancia de 20 mm desde el centro de la misma.

Se medir el rea inicial de cada probeta.

Se definir el tipo de ensayo en la mquina de traccin.

Se calibrar el extensmetro.

Se instalar la probeta en la mquina con la ayuda de mordazas.



Se realizar el ensayo de traccin.

Se har un seguimiento en la pantalla del computador de la curva de tensin-deformacin.

Se obtendrn los parmetros fundamentales de la curva anterior.

A partir de los resultados anteriores, se elaborar el informe.

4.- Materiales e instrumentos

Maquina de traccin Tinius&Olsen, extensmetro, diskettes, pie de metro, micrmetro.

Materiales: acero 1020, acero 1045.

5.- Cuestionario

La teora bsica usada en la experiencia se encuentra descrita en varios textos que son clsicos en Ciencia e Ingeniera de Materiales y que se encuentran en la bibliografa recomendada.

Merece relevancia lo siguiente: este ensayo esta estandarizado. La American Society for Testing Materials (ASTM), ha reunido el conjunto de experiencias tenidas por los cientficos e ingenieros relacionados con el rea de materiales y han condensado estas experiencias en una serie de consejos prcticos de cmo debe hacerse el ensayo para que sea vlido y homologable en todo el mundo. La norma se denomina ASTM E-8. Se recomienda leer las partes principales.

A partir de la revisin de esta bibliografa, responda el siguiente cuestionario:

5.1.- Defina:

5.1.1.- Limite elstico

5.1.2.- Esfuerzo verdadero y deformacin verdadera

5.1.3.- Esfuerzo ingenieril y deformacin ingenieril

5.1.4.- Estriccion

5.1.5.- Modulo de Young

5.1.6.- Ley de Hooke

5.1.7.- Ley de Hollomon

5.1.8.- Deformacin plstica

5.1.9.- Deformacin elstica



5.1.10.- UTS (ultimate tensile stress)

5.1.11.- Limite elstico convencional 0.2%

5.1.12.- Resiliencia

5.1.13.- Tenacidad

5.1.14.- Alargamiento a rotura

5.1.15.- Porcentaje de reduccin de rea

5.1.16.- Fluencia homognea y fluencia heterognea

5.2..- En un diagrama esfuerzo deformacin verdaderos, superponga el diagrama esfuerzo deformacin ingenieril. Cul de los dos es montonamente creciente? Por que?

5.3.- A que se debe la formacin de cuello?

5.4- Dibuje en un diagrama esfuerzo deformacin, las curvas correspondientes a:

5.4.1.- Un material frgil y duro

5.4.2.- Un material dctil y blando

Cual de los dos absorbe mas energa antes de la rotura?

5.5..- Un material con comportamiento elasto-plstico se carga por encima del limite elstico. Luego se descarga completamente. Represente el proceso en un diagrama esfuerzo-deformacin. Muestre claramente la deformacin elstica y la deformacin plstica en cada caso.

Si el material se vuelve a cargar, como queda descrito el proceso en un diagrama esfuerzo-deformacin?

6 Informe

El informe se estructurara en base a los siguientes puntos:

6.1.- Introduccin

6.2.- Base terica (hacer un resumen de no ms de tres hojas de los aspectos ms relevantes de lo que se haya ledo sobre el tema de acuerdo a la bibliografa recomendada).

6.3.- Montaje experimental (describir mquinas usadas, probetas ensayadas etc). Dos paginas como mximo.

6.4.- Resultados (poner los resultados obtenidos, sin discutirlos).



6.5.- Discusin y anlisis de resultados (analizar los resultados comentar aspectos relevantes y en general poner las ideas que vayan aflorando sin autocensura; es la parte ms importante del informe).

6.6.- Conclusiones (relacionar con los objetivos de la experiencia)

6.7.- Bibliografa

7 Bibliografa

7.1 G. Dieter Mechanical Metallurgy, Mc Graw-Hill

7.2 D. Askeland , La Ciencia e Ingeniera de Materiales,Grupo Editorial Iberoamrica

7.3 W. Smith, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de Materiales, Mc Graw-Hill Book.

7.4 L. Van Vlack , Materiales para Ingeniera, CECSA

7.5 Norma ASTM E-8



EXPERIENCIA N 02

UNIDAD : LABORATORIO DE COMPORTAMIENTO MECANICO DE SLIDOS


TEMA: ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIN

1.- Introduccin

Se efectuarn ciclos de carga y descarga a un acero con el propsito de observar el fenmeno de Endurecimiento por Deformacin.

2.- Objetivos


Definir un ciclo de cargas y descargas con el fin de observar el fenmeno de Endurecimiento por Deformacin.

3.- Metodologa

Se programarn un ciclo de cargas y descargas sobre una probeta, estudindose su comportamiento elasto-plstico.

Se observarn en cada momento las cargas que se obtienen.

A partir de los resultados anteriores, se elaborar el informe.



Materiales: acero 1020, acero 1045.

5.- Cuestionario


Describa el fenmeno de endurecimiento por deformacin, haciendo nfasis en aspectos microestructurales y relacionando dichos aspectos con los fenmenos macroscpicos observados.



8 Informe


6.1.- Introduccin

6.2.- Base terica .



6.5.- Discusin y anlisis de resultados.


6.7.- Bibliografa

9 Bibliografa

9.1 G. Dieter Mechanical Metallurgy, Mc Graw-Hill

9.2 D. Askeland , La Ciencia e Ingeniera de Materiales,Grupo Editorial Iberoamrica

9.3 W. Smith, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de Materiales, Mc Graw-Hill Book.

9.4 L. Van Vlack , Materiales para Ingeniera, CECSA

9.5 Norma ASTM E-8



EXPERIENCIA N 03

UNIDAD : LABORATORIO DE COMPORTAMIENTO MECNICO DE SLIDOS


TEMA: DETERMINACIN DE LAS CONSTANTES ELSTICAS POR ULTRASONIDO

1.- Introduccin

La inspeccin ultrasnica es un mtodo no destructivo en el cual haces de ondas acsticas de alta frecuencia, son introducidos en materiales para la determinacin de constantes elsticas, estructura, tamao de grano, deteccin de grietas superficiales o internas, determinacin de espesores e incluso extensin de la corrosin.

Las principales ventajas de la inspeccin ultrasnica con respecto a otros ensayos no destructivos para la inspeccin de materiales son:

(a) gran poder de penetracin que va desde los milmetros hasta 6 m en algunos casos;

(b) alta sensibilidad que permite la determinacin de constantes elsticas;

(c) deteccin de pequeas grietas;

(d) gran precisin en determinar la posicin de grietas internas;

(e) posibilidad de estimar el tamao y forma de las grietas;

(f) necesidad slo de una superficie para estudiar el material;

(g) posibilidad de operacin electrnica que permite informacin instantnea, automatizacin y procesos de control;

(h) posibilidad de aplicacin en terreno

1.1 Caractersticas Generales de Ondas Ultrasnicas.

Las ondas ultrasnicas son ondas mecnicas (a diferencia, por ejemplo, de rayos X, que son ondas electromagnticas) que consisten de oscilaciones o vibraciones de partculas atmicas o moleculares de un material en torno a sus posiciones de equilibrio. Las ondas ultrasnicas se comportan de la misma forma que las ondas acsticas audibles. Ellas pueden propagarse en un medio elstico que puede ser slido, lquido o gas, pero no en el vaco.



En muchos aspectos, un haz ultrasnico es similar a un haz de luz: ambos son ondas que obedecen a una ecuacin general de ondas. Cada uno viaja a una velocidad caracterstica en un medio homogneo que es caracterstica del medio y no de las propiedades de la onda. Los haces ultrasnicos pueden ser reflejados desde superficies, refractados cuando cruzan un borde entre dos materiales que tienen diferentes velocidades caractersticas, y difractados por pequeos bordes u obstculos.

Las magnitudes fsicas que caracterizan a una onda mecnica son:

a) Periodo T: Tiempo en que cada partcula efecta una oscilacin completa. Se mide en [s].

b) Frecuencia f: Nmero de vibraciones u oscilaciones en la unidad de tiempo. Se mide en [Hz].

c) Longitud de onda : Distancia que se propaga la onda durante un periodo. [m] d) Amplitud de onda A: Mayor desplazamiento de las partculas en torno a sus posiciones de equilibrio.

La amplitud y energa de las ondas acsticas en un medio elstico dependen de la cantidad de energa aplicada. La velocidad y atenuacin (prdida de amplitud y energa) de las ondas acsticas dependen de las propiedades del medio en el cual ellas se propagan.

1.2 Propagacin de la Onda.

Cuando las partculas atmicas o moleculares de un medio material son desplazadas desde su posicin de equilibrio por una fuerza aplicada, aparecen esfuerzos internos que actan y restituyen a las partculas en su posicin de equilibrio. Debido a las fuerzas internas entre partculas adyacentes del material, un desplazamiento en un punto induce desplazamientos en puntos vecinos y stos, a su vez, en otros, propagndose una onda de esfuerzo deformacin. El desplazamiento de materia que ocurre por ondas ultrasnicas es extremadamente pequeo. La amplitud, modo de vibracin, y velocidad de las ondas difieren en slidos, lquidos y gases debido a la gran diferencia en la distancia media entre las partculas que los forman.

La relacin entre velocidad, frecuencia y longitud de onda es:

fV = ( 1 ) Sobre la base del modo de desplazamiento, las ondas ultrasnicas se clasifican en ondas longitudinales, transversales, superficiales y de Lamb.



1.2.1 Ondas Longitudinales.

Se caracterizan por el desplazamiento paralelo de las partculas con la direccin de propagacin de la onda. Tambin son llamadas ondas de compresin y son las ms usadas en la inspeccin ultrasnica de materiales. La velocidad de ondas ultrasnicas longitudinales en acero es cerca de 6000 m/s, en agua es cerca de 1500 m/s y en aire, cerca de 330 m/s.

1.2.2 Ondas Transversales.

En este caso, el desplazamiento de las partculas es perpendicular a la direccin de propagacin de la onda. Tambin son ampliamente usadas en la caracterizacin de materiales. Estas ondas no se pueden propagar por aire ni por lquidos, a menos que tengan una alta viscosidad. La velocidad de ondas transversales en slidos es aproximadamente la mitad de la velocidad de ondas longitudinales.

1.2.3 Ondas Superficiales (Ondas de Rayleigh).

Estas ondas viajan a lo largo de superficies planas o curvas de partes slidas gruesas. Para la propagacin de ondas de este tipo, la onda debe viajar a lo largo de una interfase limitada en un lado por las fuertes fuerzas elsticas de un slido y por el otro, por fuerzas elsticas despreciables entre molculas de gas. La velocidad de propagacin corresponde al 90% de la velocidad de ondas transversales en el mismo material. En estas ondas, las oscilaciones de las partculas siguen una rbita elptica, siendo sta perpendicular a la superficie.

1.2.4 Ondas de Lamb.

Estas ondas se propagan en placas con un espesor de unas pocas longitudes de onda. La propagacin de estas ondas depende de la densidad, propiedades elsticas y estructura del material as como tambin de su espesor. Las ondas de Lamb pueden ser simtricas o antisimtricas, dependiendo si el movimiento de la partcula es simtrico o antisimtrico con respecto al eje neutral del material a prueba.

1.3 Principales Variables en la Inspeccin Ultrasnica.

Las principales variables que deben ser consideradas en inspeccin ultrasnica incluyen las caractersticas de las ondas de ultrasonido y las caractersticas del material a analizar.

Frecuencia: Se debe hacer un compromiso entre los efectos favorables y adversos para alcanzar un ptimo. Por ejemplo, la sensibilidad, o la habilidad de un sistema para detectar muy pequeas discontinuidades, es incrementada con el uso de altas frecuencias. La resolucin tambin es incrementada con el uso de altas frecuencias. Sin embargo, la



penetracin del haz es reducida con el aumento de la frecuencia. Este efecto es ms fuerte en metales con gran tamao de grano debido al scattering que se produce.

Impedancia Acstica: Cuando un haz es transmitido de un medio a otro, parte de la energa es reflejada y otra parte es transmitida al segundo medio. La caracterstica que determina la cantidad de reflexin es la impedancia acstica de los dos materiales en ambos lados de la interfase. Si las impedancias son iguales, entonces no habr reflexin; y si son muy diferentes, se producir reflexin casi total, como en el caso de metal y aire. La impedancia acstica para una onda longitudinal Z, dada en gramos por segundo centmetro cuadrado, est definida como el producto de la densidad del material y la velocidad de la onda longitudinal:

LVZ = ( 2 ) Las propiedades acsticas de metales y aleaciones son influenciadas por las variaciones en estructura y condiciones metalrgicas.

Angulo de Incidencia: Cuando el haz incidente es normal a la interfase, el ngulo de incidencia es de 0, y no se produce un cambio en la direccin del haz. A cualquier otro ngulo de incidencia, el fenmeno de modo de conversin y refraccin debe ser considerado. La ley general que describe el comportamiento de la onda en la interfase es la Ley de Snell.

Intensidad del Haz: La intensidad del haz ultrasnico est relacionado con la amplitud de la vibracin de las partculas. Presin acstica es el trmino ms empleado para denotar la amplitud de esfuerzos alternos ejercidos en un material por la propagacin de una onda ultrasnica. La presin acstica es directamente proporcional al producto de la impedancia acstica y la amplitud de vibracin, y su cuadrado determina la cantidad de energa en la onda (potencia acstica). Debido al equipamiento electrnico de amplificacin perifrico al anlisis del material, la amplitud desplegada en el osciloscopio es proporcional a la intensidad real del haz.

1.4 Atenuacin de Haces Ultrasnicos.

La intensidad de un haz ultrasnico que es recibida por un transductor es considerablemente menor que la intensidad de la transmisin inicial. Los factores que producen este efecto pueden ser clasificados como prdidas por transmisin, efectos de interferencia y extensin del haz.

Las prdidas por transmisin incluyen absorcin, scattering, y efectos de la impedancia acstica en la interfase. Los efectos de interferencia incluyen difraccin y otros efectos que crean ecos de la onda, cambios de fase o cambios de frecuencia. La extensin



del haz involucra principalmente una transicin desde onda plana a otro tipo de onda esfrica o cilndrica, dependiendo de la forma del frente del transductor.

1.5 Mtodos Bsicos de Inspeccin Ultrasnica.

Los dos principales mtodos de inspeccin son el mtodo de transmisin y el mtodo de pulso-eco. La principal diferencia entre estos dos mtodos es que el mtodo de transmisin involucra slo la medida de la atenuacin de la seal, mientras que el mtodo de pulso eco puede ser usado para medir el tiempo de propagacin de la seal por la muestra con mayor precisin adems de la atenuacin.

1.5.1 Mtodo de Pulso-Eco.

Este mtodo involucra la deteccin de ecos producidos cuando un pulso ultrasnico es reflejado desde una discontinuidad o interfase de una muestra. Este mtodo es utilizado para la localizacin de grietas y medidas de espesor. La profundidad de la grieta es determinada a partir de tiempo de vuelo entre el pulso inicial y el eco producido por la grieta. Tambin podra ser determinada por el tiempo relativo entre el eco producido por la grieta y el eco producido por la superficie posterior de la muestra. Los tamaos de las grietas son estimados comparando las amplitudes de la seal de la onda reflejada desde una interfase con la amplitud de la onda reflejada desde un reflector de referencia de tamao conocido.

Generalmente, un sistema pulso-eco funciona como sigue. En un generador de seales se selecciona el modo pulso, la amplitud de la seal elctrica, el tiempo entre pulsos, el nmero de ciclos y la frecuencia central del pulso (un pulso tipo delta de Dirac contiene todas las frecuencias). Adems, se debe sincronizar la emisin de la seal elctrica del generador con la partida del osciloscopio (trigger). Entonces, el transductor convierte el pulso de voltaje en vibracin mecnica teniendo esencialmente la misma frecuencia impuesta en el pulso. La vibracin mecnica es aplicada sobre el material de prueba a travs de un medio acoplador (vaselina, aceite) y la onda se propaga por el material con la velocidad caracterstica de ste. Cuando esta onda encuentra una discontinuidad, la energa ultrasnica es reflejada y retorna al transductor que convierte la vibracin mecnica en una seal elctrica alterna. Esta seal es amplificada y desplegada en el osciloscopio.

La inspeccin por pulso-eco puede ser ejecutada con ondas longitudinales, transversales, de superficie u ondas de Lamb.

1.5.2 Mtodo de Transmisin.

Sin considerar si la prueba de transmisin ultrasnica es hecha con haces directos o reflejados, las discontinuidades son detectadas comparando la intensidad del ultrasonido transmitido a travs de la muestra con la intensidad transmitida a travs de una referencia



estndar hecha del mismo material. Esta tcnica requiere dos transductores: uno emisor y otro receptor. Para optimizar el acoplamiento de los transductores y la muestra, es recomendable, si se puede, sumergir el sistema en agua. Esto tiene un gran efecto porque el acoplamiento influye en la intensidad de las medidas.

A diferencia del mtodo de pulso eco, es el transductor receptor quien convierte la vibracin mecnica en seal elctrica, que es amplificada y desplegada en el osciloscopio.

2.- Objetivos de la experiencia

Medir las velocidades de propagacin de ondas longitudinales y transversales mediante pulso-eco y transmisin, en muestras cilndricas de diferentes metales y aleaciones.

Comparar estas mediciones con las encontradas en la literatura.

Determinar las constantes elsticas de los materiales ensayados a partir de las siguientes relaciones:

( )( )

( )

212

1232

2232

=+=+=

+=++=+==

GEGGK

GGGGEGVEV TL

( 3 )

en que E: mdulo de Young

G: mdulo de cizalle (= ) : constante de Lam : razn de Poisson K: mdulo bulk

: densidad del material (conocida) Comparar estos resultados con los tabulados en la literatura.

3.- Metodologa

Se realizarn todas las conexiones que sean necesarias para armar el montaje, segn la disposicin del laboratorio o de la persona que est a cargo. Las muestras cilndricas se ubicarn alineadamente en un porta-muestra especialmente diseado para el mtodo de transmisin, que incluye tambin los porta-transductores. Se selecciona la frecuencia, amplitud y nmero de ciclos del pulso segn mejor se obtenga la seal en el osciloscopio.



Con este instrumento se mide la diferencia de tiempo de las seales emitida y recibida. En cuanto al mtodo de pulso-eco, se utilizar slo un transductor y la muestra, de tal forma que sea el mismo transductor quien reciba la seal de eco. Se mide el tiempo nuevamente con el osciloscopio considerando que la seal ha viajado dos veces por la muestra.


Generador de seales de 50 MHz HP 8116 A. Osciloscopio Tektronic. Equipo de ensayos no destructivos del laboratorio. Puente de diodos. Transductores ultrasnicos de diseo propio del laboratorio de 1, 2 y 3 MHz. Cables coaxiales de seal. Portamuestra. Muestras cilndricas de aluminio, aceros y latn, de dimetro 12 mm y longitud variable. Aceite o vaselina como acopladores.

5.- Cuestionario

Temas adyacentes de investigacin

1.- Efecto Piezoelctrico.

2.- Cmo funciona un transductor?

3.- Fenmenos de Resonancia.

4.- Mtodos de Onda Estacionaria.

5.- Transformada de Fourier y Espectro de una Seal

6.- Por qu a altas frecuencias el haz ultrasnico penetra menos en un material?

7.- Qu significa que un material sea Dispersivo?

8.- En qu unidades se mide la Atenuacin?

NOTA: Antes de entrar al laboratorio se har un breve control en el que se harn 4 preguntas escogidas al azar del cuestionario

6.- Informe


6.1.- Introduccin







6.6.- Conclusiones (relacionar con los objetivos de la experiencia).

6.7.- Bibliografa.

7.- Referencias:

7.1- ASM Handbook, 9a Edicin. Metals Handbook. Vol. 17. p 231-277.

7.2- Sound Waves in Solids. H.F.Pollard. Pion Limited. 1977.



EXPERIENCIA N 1

UNIDAD : LABORATORIO DE METALURGIA MECNICA


TEMA: EL ENSAYO DE ANISOTROPA

1.- Introduccin

La anisotropa es una propiedad clave en los procesos de fabricacin que involucran conformado, sobre todo en el caso de los materiales planos. En efecto, se sabe que durante el proceso de embuticin, por ejemplo, es vital que el material se comporte anisotrpicamente, es decir, tenga propiedades diferentes en cada direccin (normal versus planar). Se sabe adems que esto est relacionado con altos valores de r. Por otro lado, para impedir la formacin de orejas es necesario una gran isotropa plana (valor de r cercano a cero). Por esta razn, la determinacin de r y r constituye una prctica comn en las operaciones industriales.


a) El objetivo de esta experiencia es determinar la anisotropa normal y plana en chapas de acero.

3.- Metodologa

Se marcarn y medirn 20 mm alrededor del centro de la probeta (hacia arriba y hacia abajo del centro). Se medir el ancho inicial de la probeta. Se traccionar hasta un 20 % de deformacin en la mquina de traccin. Se desmontar la probeta y se medirn el ancho final y la distancia entre marcas. El valor de r se determinar a partir de la ecuacin:

r

ww

l wl w

f

f f=

ln

ln

0

0 0

(1)

en que

w0 y wf son los anchos inicial y final respectivamente

l0 y lf son los largos (distancia entre marcas) inicial y final respectivamente

Se contar con probetas orientadas a 0, 45 y 90 de la direccin de laminacin. Por tanto los valores medios de r y r se calculan a partir de:



rr r r= + +0 45 902

4 (2)

r r r r= +0 45 9022

(3)

en que r0, r45 y r90 corresponden a la anisotropa normal medida a 0, 45 y 90 de la direccin de laminacin respectivamente.



Materiales: acero 1010, plano.

5.- Cuestionario

(Al entrar al laboratorio debern entregarse respondidas las siguientes preguntas).

1.- Deduccin de la ecuacin (1).

2.- Relacin entre el ndice de anisotropa normal y las texturas.

3.- Relacin entre el ndice de anisotropa y la embutibilidad.

4.- Relacin entre el ndice de anisotropa plano y la formacin de orejas.

5.- Cmo se determina el porcentaje de deformacin aplicado en la determinacin de r?

6.- Qu es un material ortotrpico?

7.- Variacin de r con el tamao de grano en aceros recocidos.

8.- Definicin del Limit Drawing Ratio (LDR).

9.- Relacin del LDR con el ndice r.

NOTA: Antes de entrar al laboratorio se har un breve control en el que se preguntarn 4 preguntas escogidas al azar del cuestionario

6.- Informe


6.1.- Introduccin








6.7.- Bibliografa.

7.- Referencias:

7.1- Norma ASTM E-517

7.2- Apuntes del curso de Metalurgia Mecnica

7.3.- G. Dieter, Metalurgia Mecnica



EXPERIENCIA N 2



TEMA: EL ENSAYO DE EMBUTICIN PROFUNDA

1.- Introduccin

La embuticin es una operacin de conformacin plstica, mediante la cual se transforma una chapa metlica en un cuerpo hueco, como por ejemplo: envases para alimentos o vainas de municiones.

El empleo de un material de comportamiento anisotrpico, es decir, que tenga propiedades diferentes en cada direccin (normal versus planar), facilita realizar la operacin de embutido. Por otro lado, un defecto del material es la formacin de orejas durante el embutido, controlndose aquella mediante la isotropa planar, que tambin es propiedad del material.

En el proceso de embuticin, la chapa experimenta una transformacin a una pieza cilndrica. El disco inicial de dimetro D y espesor e, se transforma en un cuerpo de dimetro d1, espesor promedio e y altura h, como se muestra en la figura.

En el borde del disco inicial se producen esfuerzos tangenciales de compresin y ocasionan la formacin de pliegues o arrugas, los cuales son indeseables en el proceso por cuanto una vez producidos es muy difcil eliminarlos. Para evitar este problema se utiliza un anillo prensachapas.



Existen variados factores que gobiernan el proceso de embuticin, entre ellos: la embutibilidad (parmetro LDR), la presin del anillo prensachapas, la tolerancia entre el punzn y la matriz de embutido, radio de los perfiles de borde de la matriz y del punzn, lubricacin de las superficies en contacto y en menor grado la velocidad de embutido como factores principales. Todos ellos estn relacionados por cuanto uno depende de otro, por ejemplo, si vara el parmetro LDR, vara tericamente la presin del anillo prensachapas para evitar la formacin de arrugas.

Para producir una pieza que cumpla altos requerimientos y que no presente algunos de los varios tipos de defectos de embutido profundo, la pieza y el diseo de herramientas debe ajustarse a un nmero de restricciones geomtricas. Frecuentemente, pequeos cambios en las dimensiones de la pieza y herramientas sern suficientes para eliminar serias dificultades de produccin.


El objetivo de esta experiencia es obtener una pieza embutida satisfactoriamente, es decir, transformar completamente un disco inicial en una pieza cilndrica a travs de la operacin de conformado plstico, controlando las variables del proceso a modo de evitar o minimizar la produccin de arrugas en la pieza final y el adelgazamiento excesivo del material.

Adems se desea determinar el valor del LDR (limit drawing ratio).

3.- Metodologa

Se montarn las piezas necesarias para el ensayo, ajustando el punzn a la cavidad de la matriz. Se ubicar el disco inicial a embutir (cortado previamente con tijeras a las dimensiones que se desprenden de los datos al final de este tem) en la base de la estructura, centrndolo a ella mediante algn mtodo (por ejemplo con una plantilla). Se proceder a lubricar las superficies necesarias y a fijar el disco inicial mediante el anillo prensachapas, utilizando una presin estimada de acuerdo a las dimensiones del disco utilizado. Se realizar la operacin de embutido con la ayuda de la mquina de traccin-compresin hasta obtener la copa embutida. Se analizar la influencia de las variables iniciales en la pieza formada (dimetro del disco inicial, presin del prensachapas, lubricacin). Se medirn espesores en distintas zonas de la copa para analizar el efecto del adelgazamiento de las paredes de esta. Finalmente se calcular el LDR.

La tolerancia entre la matriz y el punzn es: T= 0.5*(d-d1)-e

Donde, d es el dimetro de la embocadura o perfil de borde de la matriz

d1 es el dimetro del perfil de borde del punzn



e es el espesor del disco inicial.


Maquina de traccin Tinius&Olsen, estructura diseada para el ensayo de embutido, lminas de acero bajo carbono para embutir, lubricante, diskettes, pie de metro, micrmetro.

5.- Cuestionario


1. Definicin del Limit Drawing Ratio (LDR), terica y matemtica.

2. Relacin entre el ndice de anisotropa plano y la formacin de orejas.

3. Nombrar los estados de esfuerzos a los que est sometido el material durante el proceso de embuticin por efecto del punzn y la matriz.

4. Realizar un perfil de la variacin del espesor de la copa embutida.

5. Predecir y explicar el comportamiento de la curva fuerza total del punzn versus carrera del punzn al interior de la pieza embutida.

6. Cul es la influencia del radio de curvatura del perfil de borde de la matriz y del punzn en la operacin de embutido?.

7. Cul es la importancia de la lubricacin en el ensayo? En que superficies se aplica y por qu?.

NOTA: Antes de entrar al laboratorio se har un breve control en el que se harn 4 preguntas escogidas al azar del cuestionario

6. Informe


6.1. Introduccin

6.2. Base terica (hacer un resumen de no ms de tres hojas de los aspectos ms relevantes de lo que se haya ledo sobre el tema de acuerdo a la bibliografa recomendada).

6.3. Montaje experimental (describir mquinas usadas, probetas ensayadas etc). Dos paginas como mximo.

6.4. Resultados (poner los resultados obtenidos, sin discutirlos).



6.5. Discusin y anlisis de resultados (analizar los resultados comentar aspectos relevantes y en general poner las ideas que vayan aflorando sin autocensura; es la parte ms importante del informe).

6.6. Conclusiones (relacionar con los objetivos de la experiencia).

6.7. Bibliografa.

7. Referencias:

7.1. Apuntes del curso de Metalurgia Mecnica

7.2. G. Dieter, Metalurgia Mecnica

7.3. G. Sachs, Principles and Methods of sheet-metal fabricating.



EXPERIENCIA N 3



TEMA: CURVA DE PARIS

1.- Introduccin

En la Mecnica de la Fractura elasto-plstica, se admite que los materiales son capaces de poseer grietas capaces de crecer ya sea de manera estable, o bien, inestablemente. Ambas situaciones, quedan completamente descritas en el contexto de la Mecnica Lineal de la Fractura por el concepto de factor crtico de intensidad de tensiones KIC, parmetro que es una propiedad del material, en tanto las condiciones que prevalezcan en el proceso sean de deformacin plana. De acuerdo a la tensin remota aplicada, , es posible predecir la longitud crtica de grieta ac, la mayor grieta que puede existir de manera estable en un material, a travs de la ecuacin:

21

=

ICc

Ka

en que es una funcin de forma. Cuando las grietas presentes en un material alcanzan este tamao crtico, el crecimiento de las mismas se torna inestable, creciendo dentro del material a velocidades de varios metros por segundo. En este ltimo caso se habla de fractura catastrfica. Para materiales con alta tenacidad a la fractura (alto valor de KIC y bajo valor del lmite elstico), es posible que un gran nmero de grietas de tamao inferior al critico existan establemente dentro del material. La velocidad de crecimiento de estas grietas queda determinado por la ecuacin de Paris

mKAdNda =

en que da/dN es la razn de crecimiento de la grieta (m/ciclo), A y m son constantes

propias de cada material y aK = , en que nuevamente es una funcin de forma. En la curva de Paris , Figura 1 , se aprecian claramente tres zonas, las que difieren entre ellas en



la velocidad de crecimiento de la grieta, caracterstica propia de cada material.

A. VELOCIDAD DE AVANCE DE GRIETA.

La velocidad de avance de grieta puede determinarse a partir de:

1

1

=

nn

nn

NNaa

Na

dNda

en que a es la longitud de grieta y N el nmero de ciclos medidos para llegar a esa longitud de grieta y se mide en m/ciclo. El subndice n indica la situacin en un instante dado (en trmino de nmero de ciclos) y el subndice n-1 indica una situacin anterior.

B. CLCULO DE FACTOR DE INTENSIDAD DE ESFUERZOS.

Para las probetas C-T el clculo del factor de intensidad de esfuerzos K se realiza mediante la siguiente ecuacin :

( )( ) ( )

432

23 6.572.1432.1364.4866.0

1

2 ++

+=

WBPK

ecuacin en la cual se deben tener las siguientes consideraciones:

Wa= , donde 0.2

mnmx PPP = , para un R > 0 B es el espesor de la probeta

Log(K)

Rotura

Log(da/dN)

da/dN=A*Km

I II III

Figura 1. Curva de Paris



W es el ancho de la probeta

a es la longitud de grieta

Pmx y Pmn son la carga mxima y mnima respectivamente

Las unidades en que se expresa el factor de intensidad de esfuerzos son mPa .

C. RAZN DE CARGA

La razn de carga ( R ), se define como el cuociente entre la carga mnima y mxima y se expresa de la siguiente manera:

mx

mn

PPR =

Los resultados obtenidos se representan en diagramas da/dN v/s K que tambin se denominan curva de Paris. En el eje de las abscisas se grafica el factor de intensidad de esfuerzos y en el eje de las ordenadas la velocidad de crecimiento de grieta.



D. GEOMETRA DE LA PROBETA

La probeta C-T tiene las dimensiones de la figura 2, [3]. Las dimensiones se encuentran en milmetros y su geometra depender del propsito del ensayo.

I. Equipo de fatiga Rumul

Este equipo esta diseado para producir resonancia de probetas utilizando un movimiento amplificado de un sistema masa-resorte-probeta.

Mediante un campo electromagntico producido por un electroimn se impulsa intermitentemente un sistema compuesto por una masa en su ncleo y dos resortes a su alrededor. Esta vibracin producida es trasmitida a un conjunto de mordazas las cuales sostienen la probeta.

Se entiende que el sistema es forzado a vibrar por la masa que se decide utilizar, entendindose que la masa es intercambiable. Existen cuatro masas distintas, debido a esto es que la frecuencia de resonancia alcanzada depender de la geometra y del material que se este utilizando. Es por esto que probetas de la misma geometra, pero de distinto material vibran establemente de modos diferentes.

La capacidad de la celda de carga en tensin o compresin es de 20 kN. Su carga esttica mxima flucta entre -20 kN (compresin) y 20 kN (traccin). Su carga dinmica flucta entre 10 kN y 10 kN.

Las cualidades de este equipo son que: hace vibrar una probeta para agrietarla o hacer avanzar una fisura ya existente y realiza ensayos de tenacidad a la fractura, incrementando la carga hasta la rotura.

W

a

B

d

0.6W

an

Figura 2. Dimensiones de la probeta C-T.




a) Investigacin de la ecuacin de Paris para aleaciones de aluminio 2024-T3.

b) Conocer el principio y funcionamiento de la maquina de fatiga resonante.

c) Determinar la curva de Paris para 3 razones de carga distintas .

d) Determinar la influencia de la carga aplicada en la velocidad de crecimiento de grieta.

e) Determinar la influencia de la direccin de laminado del material en la curva de Paris para una misma razn de carga.

3.- Procedimiento para un adecuado uso del equipo.

El equipo Rumul esta compuesto por tres partes fundamentales:

Maquina de resonancia: es donde se ubica la probeta y se acta sobre ella mediante cargas estticas y dinmicas. Posee un juego de masa intercambiables para varias frecuencias de ciclado.

Interfase de control: Es simplemente el control. Desde aqu se enciende el equipo, incluyendo el PC. La adquisicin de datos debe establecerse con la pulsacin de I/O

Computador personal: mediante el cual se posicionan las mordazas que toman las probetas. Aqu se puede seleccionar el tipo de ensayo que se desea realizar, (Optimizing, set up, Fatigue crack growth, Precracking, KIC test). Tambin se pueden ingresar valores de cargas o deformaciones, tanto estticas como dinmicas.

Un criterio fundamental a respectar para no daar el equipo es controlar la potencia que se ha de consumir en su operacin. Esta no deber sobrepasar el 20% para condiciones suaves de resonancia, de lo contrario se debe detener el funcionamiento del equipo. La potencia se puede monitorear en la set up.

PROCEDIMIENTO PARA LA PUESTA EN FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO

A. Energizar: Se deben subir los interruptores de los automticos.

B. Verificar en el control que el pulsador rojo pequeo de parada de emergencia este en posicin de funcionamiento, girndolo en sentido horario y tirndolo hacia fuera.

C. Gira perilla roja grande en la parte inferior del control.

D. Encender desde le botn que indica PC, bajo la tapa de plstico transparente que posee cerradura. En ese momento debe iluminarse el monitor y aparecer un mensaje.



E. Para confirmar el siguiente paso, aceptar con el ratn o pulsar enter. Esto har que se emita una seal sonora que pide conectar la adquisicin de datos del control, para ello se debe tener oprimido el pulsador I/O por el tiempo necesario para que alcance un rgimen estable el sonido de los ventiladores que en ese instante se activan (15 s aprox.). Solo ahora se estar en el men principal y en condiciones de entrar a los programas Rumul.

4.- Desarrollo experimental

Preparacin de las probetas

Las probetas deben ser previamente pulidas con lija al agua 600, con el objeto de facilitar la visualizacin de la iniciacin y propagacin de la grieta. El pulido debe realizarse de tal manera que la direccin del lijado debe ser perpendicular a la direccin del preagrietado.

En la probeta se deben trazar 20 lneas perpendiculares al preagrietado, con una distancia de 1 mm de espaciado a contar de la punta del preagrietado. Se debe trabajar con absoluta prolijidad, debido a que una mala realizacin puede alterar los resultados. Cada 2 mm se deben enumerar las lneas, con el propsito facilitar la medicin. Se debe tener en cuenta que se asume como ya conocida la geometra de las probetas[3]

Montaje de las probetas

Una vez estando en la set up, se debe ingresar a la opcin CROSSHD, donde se ajusta la posicin de las mordazas.

Se debe colocar un pasador 1, posteriormente corrigiendo la posicin de la probeta se coloca el 2 pasador.

Se debe verificar que la probeta se encuentre centrada respecto al pasador.

Puesta en marcha

Una vez determinadas las cargas a las cuales ser expuesta la probeta, se procede a ingresar los valores, ya sea carga esttica como dinmica.

Se verifica que el contador de ciclos se encuentre en cero y se monitorea la potencia de trabajo del equipo.

Obtencin de datos

Se toma nota del nmero de ciclos en el cual se inicia la grieta. Posteriormente, se realiza lo mismo milmetro a milmetro hasta la rotura de la probeta (siempre monitoreando la potencia para evitar que esta sobrepase 20%)




Maquina de fatiga resonante RUMUL, diskettes, pie de metro, micrmetro.

Materiales: aleaciones de aluminio 2024-T3.

6.- Informe


6.1. Introduccin

6.2. Base terica (hacer un resumen de no ms de tres hojas de los aspectos ms relevantes de lo que se haya ledo sobre el tema de acuerdo a la bibliografa recomendada).

6.3. Montaje experimental (describir mquinas usadas, probetas ensayadas etc). Dos paginas como mximo.

6.4. Resultados (poner los resultados obtenidos, sin discutirlos).

6.5. Discusin y anlisis de resultados (analizar los resultados comentar aspectos relevantes y en general poner las ideas que vayan aflorando sin autocensura; es la parte ms importante del informe).

6.6. Conclusiones (relacionar con los objetivos de la experiencia).

6.7. Bibliografa.

7. Referencias:

7.1 Apuntes del curso de Metalurgia Mecnica

7.2 G. Dieter, Metalurgia Mecnica

7.3 G. Sachs, Principles and Methods of sheet-metal fabricating.



EXPERIENCIA N 4



TEMA: DETERMINACIN DEL KIC UTILIZANDO PROBETAS DE FLEXIN CON CARGA EN TRES PUNTOS, SEGN NORMA ASTM E399

1.- Introduccin

La resistencia a la fractura o tenacidad K, constituye el concepto bsico de la mecnica de la fractura y el ICK la medida de tenacidad crtica de un material. La norma

ASTM E399 plantea un mtodo de medida de ICK , la que es actualmente de aceptacin

general. Las condiciones del ensayo se plantean en un ambiente neutral y con la presencia de una grieta aguda en la probeta, la cual es sometida a una fuerza tensora intensa. El estado de tensin cerca del frente de la grieta se encuentra en una condicin de deformacin plana y la regin plstica ubicada en la punta de la grieta, es pequea comparada con su tamao y la dimensin de la probeta en la direccin de aplicacin de la fuerza.

Para poder efectuar el ensayo, es necesario contar con el utillaje aceptado por la norma, y la mquina para fatiga y carga que se efectuar a la probeta.


Objetivo General

Determinar el KIC de un material, de acuerdo a las condiciones establecidas por la norma ASTM E399-83 para probetas de flexin con carga en tres puntos. Esto permitir conocer la utilizacin del utillaje correspondiente, implementacin del ensayo y etapas involucradas.

Objetivos Especficos

Conocer la utilizacin del utillaje correspondiente, implementacin del ensayo y etapas involucradas.

3.- Procedimiento experimental

Las mquinas utilizadas para desarrollar el ensayo son la Mquina de Fatiga RUMUL y Mquina de Traccin Compresin TINIUS OLSEN. La experiencia se desarrollar en 3 pasos: mecanizado, fatiga y carga de probetas.



3.1 Primer paso metodolgico: mecanizado de probetas

A) Dimensionamiento y configuracin de probetas.

Los parmetros B, W y S son los valores de espesor, alto y longitud entre apoyos de la probeta respectivamente (figura 1). Estos valores se encuentran por la aplicacin de la ecuaciones 1, 2 y 3, funcin del ICK y %2.0 del material a ensayar, donde el KIC debe ser registrado en datos experimentales obtenidos anteriormente en referencia.

2

%2.0

*5.2

ICKB (ec. 1)

BW 2= (ec. 2) BWS 84 == (ec. 3)

donde:

B : Espesor mnimo de la probeta de flexin.

W : Altura de la probeta.

S : Largo entre apoyos de la probeta (entre rodillos).

W0.005W

B=W/20.010

S=4W

2.1W(min.) 2.1W(min.)

P

2P

2P

a

Figura 1: Medidas principales de la probeta de flexin: B , W y S . D representa la medida del dimetro de los rodillos de apoyo de la probeta, restringidos por la condicin sealada en el esquema.

(Fuente: ASTM E 399-83)

B) Configuracin de la entalla de la probeta y largo de grieta permitido

La entalla en v (fig. 2) se ubica a la mitad del largo de la probeta. El valor de la longitud de la grieta a (medida desde el comienzo de la entalla), debe ser aproximadamente igual al espesor B de la probeta (0.45W< a



Figura 2: Forma y dimensiones de la entalla. Dimensin del largo de grieta producto de la fatiga aceptable por la norma E399-83. (Fuente: ASTM E399-83)

3.2 Segundo paso metodolgico: fatiga de probetas

1) Antes de proceder a ensayar las probetas previamente construidas, se deben lijar sus caras principales con la finalidad de poder visualizar el desplazamiento de la grieta en la etapa de fatiga. Para ello se utiliza un set de lijas al agua (grano 200 hasta 2000), con las cuales se frota el material en una direccin a 90 con respecto al lijado anterior.

2) Marcar en las caras principales de la probeta la longitud de la grieta por fatiga que se establece para el ensayo en particular. Esta marca se realiza con un lpiz de tinta en direccin perpendicular al desplazamiento que tendr la grieta.

Montar en la mquina de fatiga el utillaje construido para efectuar el ensayo, asegurndose que ste quede perfectamente centrado.

3) Montar la probeta sobre los rodillos que son parte del utillaje (fig. 3), cumpliendo todas las condiciones restrictivas respecto a este punto.

N



Figura 3: Esquema de montaje para utillaje 2; pieza N1 (cilindro de ajuste de la base); pieza N2 (tuerca de ajuste); piezas N 3 y N 4 (base del utillaje), piezas N 5 y N6 (fijacin de la probeta), piezas N 8 y N 9 (punzn); pieza N10 (cilindro de ajuste del punzn). La pieza N 7 corresponde a la probeta utilizada en el

ensayo (no es parte del utillaje). (Fuente: Alvarez Roberto, Tesis 2002)

4) Ingresar en la mquina los valores de carga esttica y dinmica requeridos en el ensayo, con la finalidad de iniciar la fatiga de la probeta, siendo estos valores negativos en el ingreso a la mquina (modalidad de compresin) pero positivos con respecto a su accionar en la entalla de la probeta (fig. 4). La mxima intensidad de esfuerzo en la etapa terminal (ltimo 2.5% del largo total) de crecimiento de la grieta por fatiga no debe exceder el 60% del valor de KIC del material. Su cumplimiento se puede asegurar con la utilizacin de un mnimo nivel de tensiones, compatible con un tiempo de crecimiento razonable de la pregrieta.

10

1

43

2

6

5

78

9



0.0

5.0

0.1

5.1

5.0

0.0

5.0

0.1

5.1

0.2

5.0

Figura 4: Esquema de la carga dinmica y esttica aplicada en los ciclos de fatiga.

(Fuente: Alvarez Roberto, Tesis 2002)

5) Sintonizar la resonancia estable de la probeta en los lmites aconsejables (regulando el Tuning y Phase en el computador) y observar cuidadosamente la formacin de la grieta. Al respecto, se considera que la mquina ha entrado en resonancia cuando la prdida de energa (visualizada en medida de porcentaje en la pantalla del monitor) es menor a un 10%.

7) Producido el largo de grieta requerido en la probeta, se detienen los ciclos de fatiga (carga dinmica y esttica) y se procede a tomar el dato correspondiente al nmero de ciclos registrado por la mquina. Usualmente el nmero de ciclos de fatiga debe encontrarse entre 104 y 106, dependiendo del tamao de probeta, preparacin de la entalla y el nivel de intensidad de esfuerzo aplicado. Si el nmero total de ciclos es excesivo, la causa es usualmente producto de una razn de crecimiento de grieta baja. La forma de solucionar este problema es aumentar gradualmente la carga esttica, hasta encontrar un valor adecuado que entregue un nmero de ciclos que est dentro del rango establecido. Si an no se obtiene un crecimiento de grieta dentro del rango aceptable, entonces se procede a aumentar la carga dinmica.

3.2 Tercer paso metodolgico: carga de probetas hasta la fractura

1) Efectuar el clculo de carga necesaria para romper la probeta Pmx.., utilizando la relacin dictada por la norma PQ = (KQ B W3/2) / (S f(a/W)) propia de la probeta de flexin y entregando a KQ el valor de KIC ms un valor de 0.5 para la relacin (a/W) en base a la configuracin de la probeta (*).

(*) (a/W) = 0.5 f(a/W) = 2.66

CARGA (KN)

N DE

Carga Esttica Amplitud de la Carga Dinmica



2) Asumiendo que el utillaje se encuentra montado en la mquina de fatiga RUMUL, colocar las uetas a la probeta y en ellas insertar el extensmetro. Este dispositivo a su vez se conecta a la mquina para poder registrar los valores de desplazamiento de la abertura de la grieta v (fig. 5). Las uetas se fijan firmemente para asegurar la posicin del extensmetro, evitando una posible distorsin en el registro de "v". En este punto, es pertinente sealar que las uetas son piezas metlicas afiladas en un extremo. Ellas se fijan en la probeta alrededor de la zona en entallada mediante pernos, efectuando los correspondientes orificios en ella (utilizando un macho para formar el hilo).

Figura 5: Extensmetro usado para determinar la medida de la abertura de la grieta durante el ensayo de KIC .(Fuente: Fuentes, P., 1986)

3) Cargar la probeta hasta que ya no soporte ms incremento de carga (fractura). La interfase de la mquina registrar la dispersin de puntos en la curva de carga P

desplazamiento v hasta la fractura de la probeta (fig. 6).

Figura 6: Esquema del diagrama P-v de un material ideal cuya fractura se produce en rgimen elstico lineal perfecto. (Fuente: Fuentes, P., 1986)

Compresin

Traccin

Traccin

aGa lg

probetaladeEntalla ...

fatigaporntoAgrietamie ..

P

v0

crticaPP =.mx



3) Finalmente, se procede a tomar los datos registrados en el ensayo y se realizan posteriormente los clculos necesarios para encontrar un vlido ICK en el material de

estudio.

4.- Clculos a realizar

4.1 Obtener la tabla de datos y/o curva entregada por la mquina (Carga v/s desplazamiento de la abertura de grieta, P-v).

4.2 Graficar la curva ajustada carga v/s desplazamiento, P-v (programa Excel).

4.3 Determinar la carga crtica PQ.

En base a la curva ajustada P-v y trazando la secante desde el origen, con pendiente menor en un 5% con respecto a la pendiente de la zona lineal de la curva ajustada, se procede a encontrar la carga P5% y en definitiva la carga crtica PQ.

La figura 7 muestra los 3 tipos de curvas P-v y las respectivas relaciones entre P5% , PQ y Pmx.

PPP

mximoP

QPP =%5 %5P

mximoP

QP Qmximo PP =

PCurva _pendienteTangente _%95_

Figura 7: Tipos caractersticos de curvas P-v en donde se aprecia la relacin entre P5% , PQ y Pmx. (Fuente: ASTM E399-83)

Si %5P es superior a cualquier valor previo de carga (Tipo I), se toma a %5P como valor condicional de la carga crtica QP .

Si existe un mximo de carga previo a %5P (Tipos II y III), se toma a ste valor como

QP .

Tipo I Tipo II Tipo III

v v v



4.3 Verificar la condicin de deformacin plana ( ec. 5) mediante el criterio impuesto por la norma ASTM E399-83.

QP

Pmx < 1.10 (ec. 5)

4.4 Verificar condiciones de distribucin del crecimiento de la grieta en la probeta fracturada.

aaa ji 05.0 CONDICIN 2 (ec. 7) Donde ai, aj y ae son medidas de la longitud de la grieta cuya ubicacin se seala en la

figura 8.

3aea

ea1a

2a

4/B2/B

4/3B

3321 aaaa ++=

aaa ji 05.0

fatigaporpropagadagrietadeSuperficie

....

finalfracturadeSuperficie

..

probetaladeEntalla ...

4.5 Verificar condiciones de direccin del crecimiento de la grieta en la probeta fracturada.

Entalla de la probeta

Superficie de grieta provocada por fatiga

Superficie de fractura final

Figura 8(a): Foto que muestra la cara fracturada de la probeta de flexin donde se visualizan tres zonas representativas. (Fuente: Roberto Alvarez, Tesis 2002)

Figura 8(b): Esquema que muestra la cara fracturada de la probeta de flexin. Representa el lugar exacto en donde deben ser tomadas las medidas del largo de grieta, para calcular la longitud de grieta promedio y analizar las condiciones sealadas. (Fuente: Fuentes P. et al Apuntes del curso Introduccin a la mecnica de la fractura, 1986)



Figura 9: Esquema de la probeta de flexin fracturada, que indica los respectivos ngulos de inclinacin de la grieta ( / ): ngulo"" con respecto a la direccin de la longitud "W" y ngulo "" con respecto a la

direccin del espesor "B". (Fuente: Roberto Alvarez, Tesis 2002)

4.5 Calcular el porcentaje de fractura oblicua en la cara fracturada de la probeta.

Figura 10: Zona de fractura oblicua en la cara fracturada de la probeta de flexin.

(Fuente: Alvarez Roberto, Tesis 2002)

4.6 Calcular y validar el factor crtico de intensidad de tensiones condicional KQ.

CLCULO DE KQ

Se procede a calcular el factor crtico de intensidad de tensiones condicional QK ,

mediante la aplicacin de la ecuacin 8 para la probeta de flexin:

( ) ( )WafBWSPK QQ // 2/3 = (ec. 8)

W

B

Zona de fractura



siendo:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )[ ]( ) ( ) 2/322/1

/1/212/7.2/93.315.2/1/99.1/3/

WaWaWaWaWaWaWaWaf +

+=

( ) 14.3/29.255.0/45.0 WafWa donde:

QP : Carga crtica a la cual se propaga la grieta

B : Espesor de la probeta de flexin

W : Altura de la probeta de flexin

S : Longitud entre los apoyos de la probeta de flexin

a : Longitud de la grieta promedio

( )Waf / : Funcin que est sobre la base del tipo de probeta y sus dimensiones. Para validar el QK convirtindose definitivamente en el ICK del material en

estudio, se han de cumplir dos condiciones exigidas por la norma. Las condiciones a cumplir son las siguientes:

2%2.0 )/(5.2 QKB CONDICIN N1 (ec. 9) aaW 2%2.0 )/(5.2 QK CONDICIN N2 (ec. 10) 4.7 Comparar el valor de KIC obtenido con los datos de referencia.

PD: segn norma ASTM E399, es necesario efectuar como mnimo 3 ensayos para la determinacin del KIC de un material, calculando el promedio entre ellos.

5.- MATERIALES E INSTRUMENTOS

Las mquinas utilizadas para desarrollar el ensayo son la Mquina de Fatiga RUMUL y Mquina de Traccin Compresin TINIUS OLSEN. La experiencia se desarrollar en 3 pasos: mecanizado, fatiga y carga de probetas.

6.- Informe


6.1.- Introduccin








6.7.- Bibliografa.

7.- Referencias:

7.1- Apuntes del curso de Metalurgia Mecnica

7.2- G. Dieter, Metalurgia Mecnica

7.3- G. Sachs, Principles and Methods of sheet-metal fabricating.



EXPERIENCIA N 5



TEMA: APLICACIN DE TCNICAS DE FOTOELASTICIDAD A LA DETERMINACIN DE CAMPOS DE ESFUERZOS

1.- Introduccin

Algunos materiales transparentes como cristales y plsticos tienen la propiedad de volverse birrefringentes por la aplicacin de tensiones. La birrefringencia es la capacidad de un material isotrpico de volverse anisitrpico (desde el punto de vista ptico). Esto significa que la luz encuentra diferentes ndices de refraccin al atravesar el material en diferentes direcciones. La birrefringencia fue descubierta por Brewter en 1816 y es el fundamento de la tcnica llamada Fotoelasticidad.

La luz emergente de un material birrefringente es la resultante de la suma de sus componentes ortogonales, existiendo una retardancia angular que depende de la diferencia de velocidades. Expresando la retardancia en funcin de la diferencia entre los ndices de refraccin que estn relacionados con las velocidades, se tiene

)(2 21 nnh =

donde h es el espesor de la muestra de material birrefringente y la longitud de onda de la luz utilizada.

Bajo tensin o compresin, el material toma las propiedades de un material birrefringente. En cualquier caso el eje ptico efectivo est en la direccin del esfuerzo y la birrefringencia inducida es proporcional al esfuerzo. La retardancia en cualquier punto de la muestra es proporcional a la diferencia principal de esfuerzos. La relacin entre los esfuerzos y el ndice de refraccin fue formulada por Maxwell en 1890, y se puede escribir como

)( 2121 = Cnn donde C es el coeficiente elstico-ptico relativo, n1 y n2 los ndices de refraccin de los ejes principales asociados con 1 y 2 respectivamente.




El objetivo de esta experiencia es hacer un anlisis de tipo cualitativo de las distribuciones de esfuerzos sobre un material transparente, al cual se le aplican diferentes distribuciones de tensiones.

Visualizar el estado tensional de un material despus de mecanizado y compararlo con el estado tensional despus de someter el material a un recocido.

3.- Metodologa

Se monta el material a estudiar en un banco ptico, con las caras perpendiculares a la direccin de la fuente de luz. Este material se sita en medio de dos polarizadores y 2 retardadores /4, como muestra la figura 1.

Figura 1. disposicin usada en el montaje de esta experiencia.

Despus se realiza un ensayo de traccin a baja velocidad de deformacin y se visualiza cmo cambia el estado tensional de la probeta. La figura 2 corresponde a una imagen con luz polarizada obtenida de una probeta sometida a tensiones.

Figura 2. Ejemplo de una imagen obtenida con luz polarizada de un material sometido a tensiones.




Maquina de traccin Tinius&Olsen, estructura diseada para el ensayo de traccin, 2 polarizadores, 2 lminas retardadoras /4, banco ptico y fuente de luz monocromtica ( de preferencia una que presente una luz sin longitudes de onda retardadas, es especial para este experimento una fuente de luz como la que entregan las proyectoras.

5.- Cuestionario


1. Que tipo de materiales presentan la caractersticas de volverse birrefringentes ante la aplicacin de un estado de tensin o compresin.

2. Que hace que se vean diferentes estados de colores en la muestra ante la aplicacin de una tensin.

3. De que forma se podran calcular las direcciones de tensiones que actan en la probeta.

4. Explicar que es el fenmeno de birrefringencia.

5. Que produce un polarizador despus que pasa por l una luz monocromtica.

6. Cual es el efecto que producen los retardadores /4. NOTA: Antes de entrar al laboratorio se har un breve control en el que se harn 4 preguntas escogidas al azar del cuestionario

6.- Informe

El informe se estructurar en base a los siguientes puntos:

6.1.- Introduccin






6.7.- Bibliografa.



7.- Referencias:

7.1- Monsalve A., Apuntes del curso de Metalurgia Mecnica, 2002.

7.2- Ortiz B. L., Elasticidad, Mc Graw-Hill Book, Tercera Edicin, 1998.

7.3- Tesis Manuel Olivares Distribucin y propagacin de esfuerzos 2000.



EXPERIENCIA N 6


CARRERA : INGENIERA

ESPECIALIDAD : INGENIERA CIVIL METALRGICA

TEMA: EL ENSAYO DE FATIGA EN VIGA ROTATORIA

1.- Descripcin

Se realizarn ensayos de fatiga en viga rotatoria en la mquina de fatiga disponible en el laboratorio de Resistencia de Materiales de la APA. Esta experiencia se realizar sobre aleaciones de aluminio tpicamente usadas en la industria aeronutica.

2.- Objetivos


Operar la mquina de Fatiga Rotatoria. Trazar las curvas S-N (esfuerzo versus nmero de ciclos) para cada una de las

muestras ensayadas.

3.- Metodologa

1. Se medir cuidadosamente el dimetro de cada una de las probetas por separado en su parte ms delgada.

2. Se instalarn las probetas en la mquina cuidando una buena alineacin en su eje longitudinal y de no deformarla.

3. Se aplican distintas cargas en el extremo, tratando de barrer un rango amplio de esfuerzos aplicados (siempre dentro del rango elstico).

4. Se contar el nmero de ciclos hasta provocar la fractura de cada probeta.

5. Se trazar la curva S-N, esfuerzo versus nmero de ciclos.

6. A partir de los resultados anteriores, se elaborar el informe.




1. Mquina de fatiga rotatoria

2. Pie de metro.

3. Material: aluminio 7050 T7451

4. La probeta usada se muestra en la siguiente figura:

5.- Teora bsica usada en la experiencia


Demostrar que en el caso estudiado, del esfuerzo aplicado sobre el centro de la viga vienen dado por:

)(12803 MPadP=

en que P en Newton es la carga aplicada en el extremo de la viga y d es el dimetro de la probeta en mm (en la zona ms delgada).

A partir de la revisin de esta bibliografa, responda el siguiente cuestionario:

31.7 mm

R= 20 mm d= 4 mm (Nominal) 31.7 mm

L=125,7 mm

P

Con formato

Con formato



6.- Cuestionario

6.1.- Defina:

9.5.1 Esfuerzo cclico.

9.5.2 Esfuerzo medio

9.5.3 Curva de Wohler

9.5.4 Regla de Miner

9.5.5 Eje neutro

9.5.6 Razn de carga

6.2.- Distinga entre fatiga de bajo y de alto nmero de ciclos

6.3.-Describa la forma de una superficie de fractura rota a fatiga.

6.4.- A qu velocidad crece una grieta dentro de un material?

7.- Informe

El informe se estructurar basndose en los siguientes puntos:

7.1.- Introduccin


7.3.- Montaje experimental (describir mquinas usadas, probetas ensayadas etc). Dos pginas como mximo.




7.7.- Bibliografa

8.- Bibliografa

8.1 G. Dietar Mechanical Metallurgy, Mc Graw-Hill

8.2 D. Askeland Ciencia e Ingeniera de los Materiales, Int. Thomson, 1998.



8.3 W. Smith Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de Materiales, Mc Graw Hill Book, 1993

8.4 L. Van Vlack, Materiales para Ingeniera, CECSA, 1964.



EXPERIENCIA N 7


CARRERA : INGENIERA

ESPECIALIDAD : INGENIERA CIVIL METALRGICA

TEMA: TRABAJO ESENCIAL ESPECIFICO DE FRACTURA

1.- Descripcin

Se realizarn ensayos de tensin sobre probetas DENT (Double Edge Notched Tension) para la determinacin del tra

Informe de Laboratorio

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