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Cómo elaborar un informe de laboratorio

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Cómo elaborar un informe de laboratorio

  1. 1. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas EL INFORME DE LABORATORIO COMO HACER UN INFORME DE LABORATORIO APRENDIENDO Y OBTENIENDO UNA BUENA CALIFICACIÓNIntroducciónUna actividad de laboratorio consiste en una o más experiencias donde se pretende una omás de los siguientes objetivos: enseñar un principio de manera práctica, enseñar unadestreza, afianzar un principio.A la hora de realizar un informe de laboratorio este aspecto debe tenerse muy en cuenta; elalumno debe preguntarse ¿qué principio se ha mostrado o qué destreza se ha desarrollado oqué principio se ha afianzado?También debe tenerse presente que cada actividad de laboratorio debe poseer objetivos biendefinidos y en este sentido es útil que el alumno se pregunte por estos objetivos cuando serealiza el informe.No obstante, no sólo se deben tener presente estos aspectos durante la realización delinforme final, sino también y muy especialmente en la realización de la experienciapropiamente dicha. Al respecto, las experiencias de laboratorio constituyen la forma deconectar lo aprendido en las numerosas horas de teoría con los aspectos prácticos que, sequiera o no, acompañan la mayor parte del quehacer laboral de ingenieros y científicos. Porotro lado, es bueno tener presente que una experiencia de laboratorio normalmente es unaactividad que requiere de equipamiento más o menos sofisticado, materiales y equiposmenores. Todo esto supone un esfuerzo económico a tenerse en cuenta.EstructuraLa estructura del informe debe ser de manera más o menos invariable la siguiente:ResumenObjetivosIntroducciónBase teóricaProcedimiento experimentalResultados y análisis de los resultadosConclusionesBibliografía Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 1
  2. 2. Guía de laboratorios de Propiedades MecánicasAnexosA continuación se analizarán cada una de estas partes por separado poniendo énfasis en losaspectos más importantes de ellos.ResumenEn no más de 200 palabras debe narrarse la experiencia realizada: lo que se midió, qué tipode probetas se usó, de qué material, el equipamiento que se utilizó y finalmente enunciarmuy brevemente los resultados hallados. Hacer que esto se pueda expresar en 200 palabras(más o menos) no es tarea fácil.IntroducciónDebe contener una descripción general de la experiencia, comentando los aspectos másrelevantes que lo relacionan con la teoría. Debe contener los objetivos generales yespecíficos, los que deben ser tenidos en cuenta en la elaboración de las conclusiones.En la introducción, no deben incorporarse largos debates en torno al tema del laboratorio;en realidad su extensión no debería exceder una o dos páginas. Por ningún motivo debenincluirse descripciones de parte del procedimiento experimental o incluirse resultadosparciales o finales. Desde luego no deben incluirse conclusiones.Base TeóricaEste es un aspecto que debe ser cubierto con detalle. Deben plantearse las ecuaciones yenunciarse los principios básicos relacionados con la experiencia de laboratorio de que setrate. Deben resaltarse aquellas ecuaciones y/o principios directamente abordados en laexperiencia.No deben incluirse resultados ni conclusiones.Un aspecto importante a tener en cuenta en esta sección es el de las referenciasbibliográficas. Deben aparecer citados los textos, apuntes, artículos o direccioneselectrónicas que hayan sido usadas en la elaboración de esta sección. Es normal usar unnúmero entre paréntesis y como superíndice para las citas bibliográficas. Por ejemplo:“...el factor crítico de intensidad de tensiones es función del espesor del material (6)...”Las ecuaciones deben ser numeradas en orden correlativo. Por ejemplo: σ = Kε n (4) εu = n (5) Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 2
  3. 3. Guía de laboratorios de Propiedades MecánicasProcedimiento ExperimentalDebe hacerse una descripción de los equipos utilizados. Debe mencionarse el nombre,modelo, capacidad, forma de funcionamiento y otros antecedentes que sean importantes.Por ejemplo:“Se utilizó una máquina de fatiga Rumul, modelo Mecatronic, de 10 kN de carga dinámicay 20 kN de carga estática. Este equipo funciona introduciendo una carga oscilatoriaproveniente de una condición de resonancia obtenida del sistema electromecánicoconstituido por un electroimán, un par de espiras, un sistema de masas intercambiables, elsistema de mordazas y la muestra.”Los equipos menores tales como pie de metro, micrómetro etc. sólo deben sermencionados, pero no descritos.A continuación debe describirse el procedimiento experimental usado debiéndose incluir lageometría de las probetas usadas, su composición química y tratamientos térmicos. De serposible debe comentarse la composición química y los aspectos más importantes de lostratamientos térmicos. Por ejemplo:“El acero inoxidable estudiado contiene un 18% de cromo y un 8% de níquel. El cromo leotorga su característica de inoxidabilidad, en tanto que el níquel estabiliza la fase gamma,que es cúbica centrada en las caras y por tanto, es conformable con mayor facilidad”.“La fundición ADI (austempered ductile iron) estudiada, básicamente consiste en unaaleación de Fe, C y Si, con contenidos de C que oscilan entre 2 y 4%?. Se fabricarealizando un tratamiento térmico de austemperado.”No se deben incluir resultados, ni menos comentarlos. Se debe citar bibliografía cuando seanecesario.Resultados y análisis.Los resultados deben ser entregados de forma clara. En aquellos casos en que los datos seantomados a través de un computador, NO DEBEN INCLUIRSE LAS TABLAS DEDATOS, cuando éstos numerosos (típicamente, cuando sean leídos digitalmente). Por elcontrario, los datos deben entregarse en forma de gráficas, identificándose claramente losnombres de cada eje y por supuesto, las unidades de cada uno.Esta sección es una de las más importantes del informe y el alumno debe desplegar sucapacidad de análisis, relacionando causas y efectos, comparando unos resultados con losotros obtenidos en la experiencia actual o en experiencias anteriores. Los errores propiosdel trabajo experimental es correcto comentarlos, pero no deben transformarse en el centrodel análisis. El análisis de resultados debe ser lo más exhaustivo posible. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 3
  4. 4. Guía de laboratorios de Propiedades MecánicasEl análisis de resultados debe estar constantemente apoyado por figuras y principiosteóricos. Por ejemplo:“.., tal como se muestra en la figura 7, la deflexión de la viga es proporcional a la cargaaplicada y de acuerdo a la teoría expresada en la ecuación 6. Dicha deflexión es menor enaquellos casos en que el módulo de Young es mayor, tal como lo predice la ecuación 6 yacitada...”Cada figura debe tener un número que la identifique, que se pone al pie de la misma. En elcaso de las tablas, deben ser numeradas correlativamente y su número identificatorio debeponerse en la parte superior de la misma.Es importante citar bibliografía, sobre todo en la parte de análisis de resultados.ConclusionesEn general cada una de las conclusiones deben estar relacionadas ya sea con los objetivosgenerales o con los objetivos específicos. Estas son las primeras que deben ser enunciadas.Enseguida, deben enunciarse aquellas conclusiones que no estén directamente relacionadascon los objetivos generales y/o específicos. Debe cuidarse de no confundir las conclusionescon los resultados.Algunos ejemplos:“El esfuerzo de fluencia de los aceros estudiados es proporcional a la cantidad de carbonode los mismos”.“La vida útil a fatiga disminuye con el esfuerzo aplicado”.“El esfuerzo de fluencia en el material estudiado es de 450MPa”. Esta no es unaconclusión, sino un resultado.No se acostumbra citar bibliografía en esta sección.ASPECTOS A TENER EN CUENTAForma: La redacción del informe de hacerse en tercera persona del singular. Por ejemplo:“Se midió la deflexión de la viga” y no “Medimos la deflexión de la viga”.“Se calibró el extensómetro” y no “Calibré el extensómetro”“Se traccionó a rotura” y no “Traccionamos a rotura”Redacción: Ésta constituye un objetivo de todos los laboratorios que nunca se planteaexplícitamente, pero que siempre se evalúa. La razón de esto es obvia: en la vidaprofesional del ingeniero o científico, siempre será necesario la emisión de informes y/o la Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 4
  5. 5. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicasescritura de artículos técnicos, incluso alguna vez en idiomas que no sean el español. Esestrictamente 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 durómetro Emco, utilizando la escalaRockwell C” en vez de “Las mediciones de dureza que se hicieron fueron hechas en unaparato. Durómetro Rockwell C, marca Emco.Es aconsejable redactar de la misma manera que se habla, sin usar un estilo rebuscado oartificial.Por ejemplo:“Se midió por microscopía óptica cuantitativa la cantidad de carburos presente...” en vezde “Se realizó una suerte de estimación por intermedio de una técnica avanzada querequiere de una gran habilidad por parte del operador, llamada de microscopía ópticacuantitativa, por medio de la cual se contabilizó concienzudamente la cantidad de carburopresentes...”Se deben evitar todo tipo de adjetivos que supongan subjetividad. En el ejemplo anterior, lode “técnica avanzada” resulta un poco pedante, pero se puede admitir; hay que recordarque la mayor parte de las técnicas avanzadas está condenada a la obsolescencia en pocosaños. Lo de “se contabilizó concienzudamente...”, está de más, ya que todo el trabajopráctico debe llevarse a cabo concienzudamente.La redacción debe ser clara cuidando especialmente la puntuación. Si en algún momentose 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 oración.Poner un punto aparte cuando se cambie de idea.Poner dos puntos cuando se enumere.Ortografía: Desde que es posible contar con el corrector de ortografía del procesador detextos, debiera esperarse una mejora en la ortografía en los presentados por los alumnos.Esto no ha sido así porque el corrector de ortografía no distingue entre palabras que tienenla posibilidad de usarse acentuadas o no. Por ejemplo:Gráfica: “la gráfica adjunta...” para indicar una gráfica, es decir, como sustantivoGrafica: “...si se grafica...”, es decir, para expresar la tercera persona del singular del verbograficar. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 5
  6. 6. Guía de laboratorios de Propiedades MecánicasLímite: “el límite de la región mostrada...”Limite: “... a no ser que se limite la cantidad de oxígeno....”En general, la ortografía corresponde a un objetivo de todo informe de laboratorio, por lasmismas razones por las que lo es la redacción.BibliografíaDebe ser citada a lo largo del desarrollo del informe, de la manera que se ha comentadoanteriormente. Particularmente en las secciones de Base Teórica y Análisis de Resultados.Las citas deben incluir autor o autores, nombre del libro o artículo, editorial, edición,año...etc.Por ejemplo, para un libro:F. Beer y E. R. Jhonston, Mecánica Vectorial para Ingenieros, McGraw-Hill Book Co., 5ªEd. 1990.Para un artículo:Bunge H.J., Technological Applications of Texture Analysis, Zeitschrift fur Metallkunde,76, H7,pp. 455-470, 1985.ErroresTodo trabajo experimental está sujeto a errores. Estos errores se pueden deber a errorespropios de los instrumentos de medición, a errores de lectura que dependen delexperimentador y finalmente está el factor aleatorio relacionado con heterogeneidades delmaterial. En todo caso, los errores asociados al trabajo experimental no constituyen unobjetivo en sí, por tanto no debe centrarse la discusión de resultados en este aspecto. Estono quiere decir que no ameriten ser mencionados.UnidadesDeben ser preferencialmente las unidades del sistema internacional o bien las del sistemamétrico. También son aceptables las unidades del sistema inglés, aunque debe tratarse entodo momento de utilizar los dos primeros. En todo caso, hay que ser rigurosos en lossiguientes sentidos:Que las unidades sean correctas, es decir, que se empleen las unidades correctas: la energíaen Joules o ergios, la potencia en Watt, el coeficiente de transferencia de calor en J/m2 s°C...etc.Que todas figuras, gráficas y tablas, especifiquen claramente las unidades en que se hanhecho las mediciones o se expresen los resultados. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 6
  7. 7. Guía de laboratorios de Propiedades MecánicasDebe prestarse atención a los cambios de unidades, preguntándose cada vez si tienensentido los números que se obtienen de cada cambio.Un ejemplo muy simple: para convertir metros cúbicos a litros, debe multiplicarse por1000. Así por ejemplo, 18 m3 corresponden a 18.000 litros. Un error usual consiste endividir por 1000 en vez de multiplicar por esta cantidad. De esta forma se obtendrían 0,018litros 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 EvaluaciónTodo informe en principio parte con la nota máxima. En una escala de 1 a 7, por malaredacción se descuenta medio punto. Por mala ortografía se descuenta otro medio punto.El análisis de resultados es uno de los aspectos más importantes, del informe. Un malanálisis de resultados, descuenta un punto. Las conclusiones son otro aspecto importante atomar en cuenta. Tal como se comentó, deben ser claras y estar relacionadas con losobjetivos. Un mal planteo de las conclusiones descuenta un punto. Otro aspecto importante,lo constituyen las referencias bibliográficas. Deben estar relacionadas con el sitio en que secitan y desde luego deben ser comentadas. No hacer referencias o hacerlas mal descuentamedio punto. La presentación debe ser inmejorable, con buenas figuras y gráficas. En estasúltimas, la escala de los ejes debe ser legible, las curvas deben estar muy biendiferenciadas. Una mala presentación resta otro medio punto.Comentario FinalEl objetivo de todo esto es que los alumnos aprendan a trabajar científicamente en ellaboratorio y que aprendan a informar correctamente sobre lo observado en ellaboratorio y sobre lo aprendido. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 7
  8. 8. Guía de laboratorios de Propiedades MecánicasEXPERIENCIA Nº 01 LABORATORIO DE COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEUNIDAD : SÓLIDOSCARRERA : INGENIERÍA CIVIL METALÚRGICATEMA: EL ENSAYO DE TRACCIÓN1.- Introducción Se ensayarán a tracción uniaxial probeta ASTM estándar. Será un ensayo a rotura,utilizándose un extensómetro para la medida de la deformación y una celda de carga para lamedida de la carga. Los datos serán tomados y procesados a través del software UTM de lamáquina de tracción Tinius&Olsen. Interesa evaluar los parámetros fundamentales delensayo: límite elástico, módulo de Young, UTS, máxima deformación a rotura, ajuste deHollomon. Se procederá a la caracterización del material desde el unto de vista metalográficoinformándose de aspectos como tamaño y forma de los granos, presencia de segundas fases,etc.2.- Objetivos El alumno deberá ser capaz de: Operar el programa UTM, definir un ensayo, tomar y procesar los datos queprovengan de él. Interpretar los datos obtenidos en el ensayo y calcular los parámetros propios delmismo. Correlacionar estos resultados con la caracterización microestructural del material.3.- Metodología Se marcará juego de probetas estándar a una distancia de 20 mm desde el centro dela misma. Se medirá el área inicial de cada probeta. Se definirá el tipo de ensayo en la máquina de tracción. Se calibrará el extensómetro. Se instalará la probeta en la máquina con la ayuda de mordazas. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 8
  9. 9. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas Se realizará el ensayo de tracción. Se hará un seguimiento en la pantalla del computador de la curva de tensión-deformación. Se obtendrán los parámetros fundamentales de la curva anterior. A partir de los resultados anteriores, se elaborará el informe.4.- Materiales e instrumentos Maquina de tracción Tinius&Olsen, extensómetro, diskettes, pie de metro,micrómetro. Materiales: acero 1020, acero 1045.5.- Cuestionario La teoría básica usada en la experiencia se encuentra descrita en varios textos que sonclásicos en Ciencia e Ingeniería de Materiales y que se encuentran en la bibliografíarecomendada. Merece relevancia lo siguiente: este ensayo esta estandarizado. La American Societyfor Testing Materials (ASTM), ha reunido el conjunto de experiencias tenidas por loscientíficos e ingenieros relacionados con el área de materiales y han condensado estasexperiencias en una serie de consejos prácticos de cómo debe hacerse el ensayo para quesea válido y homologable en todo el mundo. La norma se denomina ASTM E-8. Serecomienda leer las partes principales. A partir de la revisión de esta bibliografía, responda el siguiente cuestionario: 5.1.- Defina: 5.1.1.- Limite elástico 5.1.2.- Esfuerzo verdadero y deformación verdadera 5.1.3.- Esfuerzo ingenieril y deformación 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.- Deformación plástica 5.1.9.- Deformación elástica Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 9
  10. 10. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas 5.1.10.- UTS (ultimate tensile stress) 5.1.11.- Limite elástico convencional 0.2% 5.1.12.- Resiliencia 5.1.13.- Tenacidad 5.1.14.- Alargamiento a rotura 5.1.15.- Porcentaje de reducción de área 5.1.16.- Fluencia homogénea y fluencia heterogénea5.2..- En un diagrama esfuerzo deformación verdaderos, superponga el diagrama esfuerzodeformación ingenieril. Cuál de los dos es monótonamente creciente? Por que?5.3.- A que se debe la formación de cuello?5.4- Dibuje en un diagrama esfuerzo deformación, las curvas correspondientes a: 5.4.1.- Un material frágil y duro 5.4.2.- Un material dúctil y blando Cual de los dos absorbe mas energía antes de la rotura?5.5..- Un material con comportamiento elasto-plástico se carga por encima del limiteelástico. Luego se descarga completamente. Represente el proceso en un diagramaesfuerzo-deformación. Muestre claramente la deformación elástica y la deformaciónplástica en cada caso.Si el material se vuelve a cargar, como queda descrito el proceso en un diagrama esfuerzo-deformación?6 Informe El informe se estructurara en base a los siguientes puntos: 6.1.- Introducción 6.2.- Base teórica (hacer un resumen de no más de tres hojas de los aspectos más relevantes de lo que se haya leído sobre el tema de acuerdo a la bibliografía recomendada). 6.3.- Montaje experimental (describir máquinas usadas, probetas ensayadas etc). Dos paginas como máximo. 6.4.- Resultados (poner los resultados obtenidos, sin discutirlos). Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 10
  11. 11. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas 6.5.- Discusión y análisis de resultados (analizar los resultados comentar aspectos relevantes y en general poner las ideas que vayan aflorando sin autocensura; es la parte más importante del informe). 6.6.- Conclusiones (relacionar con los objetivos de la experiencia) 6.7.- Bibliografía7 Bibliografía 7.1 G. Dieter “Mechanical Metallurgy”, Mc Graw-Hill 7.2 D. Askeland , “La Ciencia e Ingeniería de Materiales”,Grupo Editorial Iberoamérica 7.3 W. Smith, “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales”, Mc Graw- Hill Book. 7.4 L. Van Vlack , Materiales para Ingeniería, CECSA 7.5 Norma ASTM E-8 Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 11
  12. 12. Guía de laboratorios de Propiedades MecánicasEXPERIENCIA Nº 02 LABORATORIO DE COMPORTAMIENTO MECANICO DEUNIDAD : SÓLIDOSCARRERA : INGENIERÍA CIVIL METALÚRGICATEMA: ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN1.- Introducción Se efectuarán ciclos de carga y descarga a un acero con el propósito de observar elfenómeno de Endurecimiento por Deformación.2.- Objetivos El alumno deberá ser capaz de: Definir un ciclo de cargas y descargas con el fin de observar el fenómeno deEndurecimiento por Deformación.3.- Metodología Se programarán un ciclo de cargas y descargas sobre una probeta, estudiándose sucomportamiento elasto-plástico. Se observarán en cada momento las cargas que se obtienen. A partir de los resultados anteriores, se elaborará el informe.4.- Materiales e instrumentos Maquina de tracción Tinius&Olsen, extensómetro, diskettes, pie de metro,micrómetro. Materiales: acero 1020, acero 1045.5.- Cuestionario La teoría básica usada en la experiencia se encuentra descrita en varios textos que sonclásicos en Ciencia e Ingeniería de Materiales y que se encuentran en la bibliografíarecomendada. Describa el fenómeno de endurecimiento por deformación, haciendo énfasis enaspectos microestructurales y relacionando dichos aspectos con los fenómenosmacroscópicos observados. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 12
  13. 13. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas8 Informe El informe se estructurara en base a los siguientes puntos: 6.1.- Introducción 6.2.- Base teórica . 6.3.- Montaje experimental (describir máquinas usadas, probetas ensayadas etc). Dos paginas como máximo. 6.4.- Resultados (poner los resultados obtenidos, sin discutirlos). 6.5.- Discusión y análisis de resultados. 6.6.- Conclusiones (relacionar con los objetivos de la experiencia) 6.7.- Bibliografía9 Bibliografía 9.1 G. Dieter “Mechanical Metallurgy”, Mc Graw-Hill 9.2 D. Askeland , “La Ciencia e Ingeniería de Materiales”,Grupo Editorial Iberoamérica 9.3 W. Smith, “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales”, Mc Graw- Hill Book. 9.4 L. Van Vlack , Materiales para Ingeniería, CECSA 9.5 Norma ASTM E-8 Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 13
  14. 14. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas EXPERIENCIA Nº 03 LABORATORIO DE COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEUNIDAD : SÓLIDOSCARRERA : INGENIERÍA CIVIL METALÚRGICATEMA: DETERMINACIÓN DE LAS CONSTANTES ELÁSTICAS POR ULTRASONIDO1.- Introducción La inspección ultrasónica es un método no destructivo en el cual haces de ondasacústicas de alta frecuencia, son introducidos en materiales para la determinación deconstantes elásticas, estructura, tamaño de grano, detección de grietas superficiales ointernas, determinación de espesores e incluso extensión de la corrosión. Las principales ventajas de la inspección ultrasónica con respecto a otros ensayos nodestructivos para la inspección de materiales son: (a) gran poder de penetración que va desde los milímetros hasta 6 m en algunos casos; (b) alta sensibilidad que permite la determinación de constantes elásticas; (c) detección de pequeñas grietas; (d) gran precisión en determinar la posición de grietas internas; (e) posibilidad de estimar el tamaño y forma de las grietas; (f) necesidad sólo de una superficie para estudiar el material; (g) posibilidad de operación electrónica que permite información instantánea, automatización y procesos de control; (h) posibilidad de aplicación en terreno1.1 Características Generales de Ondas Ultrasónicas. Las ondas ultrasónicas son ondas mecánicas (a diferencia, por ejemplo, de rayos X,que son ondas electromagnéticas) que consisten de oscilaciones o vibraciones de partículasatómicas o moleculares de un material en torno a sus posiciones de equilibrio. Las ondasultrasónicas se comportan de la misma forma que las ondas acústicas audibles. Ellas puedenpropagarse en un medio elástico que puede ser sólido, líquido o gas, pero no en el vacío. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 14
  15. 15. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas En muchos aspectos, un haz ultrasónico es similar a un haz de luz: ambos son ondasque obedecen a una ecuación general de ondas. Cada uno viaja a una velocidadcaracterística en un medio homogéneo que es característica del medio y no de laspropiedades de la onda. Los haces ultrasónicos pueden ser reflejados desde superficies,refractados cuando cruzan un borde entre dos materiales que tienen diferentes velocidadescaracterísticas, y difractados por pequeños bordes u obstáculos. Las magnitudes físicas que caracterizan a una onda mecánica son:a) Periodo T: Tiempo en que cada partícula efectúa una oscilación completa. Se mide en[s].b) Frecuencia f: Número de vibraciones u oscilaciones en la unidad de tiempo. Se mide en[Hz].c) Longitud de onda λ: Distancia que se propaga la onda durante un periodo. [m]d) Amplitud de onda A: Mayor desplazamiento de las partículas en torno a sus posicionesde equilibrio. La amplitud y energía de las ondas acústicas en un medio elástico dependen de lacantidad de energía aplicada. La velocidad y atenuación (pérdida de amplitud y energía) delas ondas acústicas dependen de las propiedades del medio en el cual ellas se propagan.1.2 Propagación de la Onda. Cuando las partículas atómicas o moleculares de un medio material son desplazadasdesde su posición de equilibrio por una fuerza aplicada, aparecen esfuerzos internos queactúan y restituyen a las partículas en su posición de equilibrio. Debido a las fuerzasinternas entre partículas adyacentes del material, un desplazamiento en un punto inducedesplazamientos en puntos vecinos y éstos, a su vez, en otros, propagándose una onda deesfuerzo deformación. El desplazamiento de materia que ocurre por ondas ultrasónicas esextremadamente pequeño. La amplitud, modo de vibración, y velocidad de las ondasdifieren en sólidos, líquidos y gases debido a la gran diferencia en la distancia media entrelas partículas que los forman. La relación entre velocidad, frecuencia y longitud de onda es: V = fλ (1) Sobre la base del modo de desplazamiento, las ondas ultrasónicas se clasifican enondas longitudinales, transversales, superficiales y de Lamb. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 15
  16. 16. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas1.2.1 Ondas Longitudinales. Se caracterizan por el desplazamiento paralelo de las partículas con la dirección depropagación de la onda. También son llamadas ondas de compresión y son las más usadasen la inspección ultrasónica de materiales. La velocidad de ondas ultrasónicaslongitudinales en acero es cerca de 6000 m/s, en agua es cerca de 1500 m/s y en aire, cercade 330 m/s.1.2.2 Ondas Transversales. En este caso, el desplazamiento de las partículas es perpendicular a la dirección depropagación de la onda. También son ampliamente usadas en la caracterización demateriales. Estas ondas no se pueden propagar por aire ni por líquidos, a menos que tenganuna alta viscosidad. La velocidad de ondas transversales en sólidos es aproximadamente lamitad 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 sólidasgruesas. Para la propagación de ondas de este tipo, la onda debe viajar a lo largo de unainterfase limitada en un lado por las fuertes fuerzas elásticas de un sólido y por el otro, porfuerzas elásticas despreciables entre moléculas de gas. La velocidad de propagacióncorresponde al 90% de la velocidad de ondas transversales en el mismo material. En estasondas, las oscilaciones de las partículas siguen una órbita elíptica, siendo ésta perpendiculara la superficie.1.2.4 Ondas de Lamb. Estas ondas se propagan en placas con un espesor de unas pocas longitudes de onda.La propagación de estas ondas depende de la densidad, propiedades elásticas y estructuradel material así como también de su espesor. Las ondas de Lamb pueden ser simétricas oantisimétricas, dependiendo si el movimiento de la partícula es simétrico o antisimétricocon respecto al eje neutral del material a prueba.1.3 Principales Variables en la Inspección Ultrasónica. Las principales variables que deben ser consideradas en inspección ultrasónicaincluyen las características de las ondas de ultrasonido y las características del material aanalizar.Frecuencia: Se debe hacer un compromiso entre los efectos favorables y adversos paraalcanzar un óptimo. Por ejemplo, la sensibilidad, o la habilidad de un sistema para detectarmuy pequeñas discontinuidades, es incrementada con el uso de altas frecuencias. Laresolución también es incrementada con el uso de altas frecuencias. Sin embargo, la Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 16
  17. 17. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicaspenetración del haz es reducida con el aumento de la frecuencia. Este efecto es más fuerteen metales con gran tamaño de grano debido al scattering que se produce.Impedancia Acústica: Cuando un haz es transmitido de un medio a otro, parte de la energíaes reflejada y otra parte es transmitida al segundo medio. La característica que determina lacantidad de reflexión es la impedancia acústica de los dos materiales en ambos lados de lainterfase. Si las impedancias son iguales, entonces no habrá reflexión; y si son muydiferentes, se producirá reflexión casi total, como en el caso de metal y aire. La impedanciaacústica para una onda longitudinal Z, dada en gramos por segundo centímetro cuadrado,está definida como el producto de la densidad del material y la velocidad de la ondalongitudinal: Z = ρV L (2 ) Las propiedades acústicas de metales y aleaciones son influenciadas por lasvariaciones en estructura y condiciones metalúrgicas.Angulo de Incidencia: Cuando el haz incidente es normal a la interfase, el ángulo deincidencia es de 0º, y no se produce un cambio en la dirección del haz. A cualquier otroángulo de incidencia, el fenómeno de modo de conversión y refracción debe serconsiderado. La ley general que describe el comportamiento de la onda en la interfase es laLey de Snell.Intensidad del Haz: La intensidad del haz ultrasónico está relacionado con la amplitud de lavibración de las partículas. Presión acústica es el término más empleado para denotar laamplitud de esfuerzos alternos ejercidos en un material por la propagación de una ondaultrasónica. La presión acústica es directamente proporcional al producto de la impedanciaacústica y la amplitud de vibración, y su cuadrado determina la cantidad de energía en laonda (potencia acústica). Debido al equipamiento electrónico de amplificación periférico alanálisis del material, la amplitud desplegada en el osciloscopio es proporcional a laintensidad real del haz.1.4 Atenuación de Haces Ultrasónicos. La intensidad de un haz ultrasónico que es recibida por un transductor esconsiderablemente menor que la intensidad de la transmisión inicial. Los factores queproducen este efecto pueden ser clasificados como pérdidas por transmisión, efectos deinterferencia y extensión del haz. Las pérdidas por transmisión incluyen absorción, scattering, y efectos de laimpedancia acústica en la interfase. Los efectos de interferencia incluyen difracción y otrosefectos que crean ecos de la onda, cambios de fase o cambios de frecuencia. La extensión Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 17
  18. 18. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicasdel haz involucra principalmente una transición desde onda plana a otro tipo de ondaesférica o cilíndrica, dependiendo de la forma del frente del transductor.1.5 Métodos Básicos de Inspección Ultrasónica. Los dos principales métodos de inspección son el método de transmisión y elmétodo de pulso-eco. La principal diferencia entre estos dos métodos es que el método detransmisión involucra sólo la medida de la atenuación de la señal, mientras que el métodode pulso eco puede ser usado para medir el tiempo de propagación de la señal por lamuestra con mayor precisión además de la atenuación.1.5.1 Método de Pulso-Eco. Este método involucra la detección de ecos producidos cuando un pulso ultrasónicoes reflejado desde una discontinuidad o interfase de una muestra. Este método es utilizadopara la localización de grietas y medidas de espesor. La profundidad de la grieta esdeterminada a partir de tiempo de vuelo entre el pulso inicial y el eco producido por lagrieta. También podría ser determinada por el tiempo relativo entre el eco producido por lagrieta y el eco producido por la superficie posterior de la muestra. Los tamaños de lasgrietas son estimados comparando las amplitudes de la señal de la onda reflejada desde unainterfase con la amplitud de la onda reflejada desde un reflector de referencia de tamañoconocido. Generalmente, un sistema pulso-eco funciona como sigue. En un generador deseñales se selecciona el modo pulso, la amplitud de la señal eléctrica, el tiempo entrepulsos, el número de ciclos y la frecuencia central del pulso (un pulso tipo delta de Diraccontiene todas las frecuencias). Además, se debe sincronizar la emisión de la señal eléctricadel generador con la partida del osciloscopio (trigger). Entonces, el transductor convierte elpulso de voltaje en vibración mecánica teniendo esencialmente la misma frecuenciaimpuesta en el pulso. La vibración mecánica es aplicada sobre el material de prueba através de un medio acoplador (vaselina, aceite) y la onda se propaga por el material con lavelocidad característica de éste. Cuando esta onda encuentra una discontinuidad, la energíaultrasónica es reflejada y retorna al transductor que convierte la vibración mecánica en unaseñal eléctrica alterna. Esta señal es amplificada y desplegada en el osciloscopio. La inspección por pulso-eco puede ser ejecutada con ondas longitudinales,transversales, de superficie u ondas de Lamb.1.5.2 Método de Transmisión. Sin considerar si la prueba de transmisión ultrasónica es hecha con haces directos oreflejados, las discontinuidades son detectadas comparando la intensidad del ultrasonidotransmitido a través de la muestra con la intensidad transmitida a través de una referencia Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 18
  19. 19. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicasestándar hecha del mismo material. Esta técnica requiere dos transductores: uno emisor yotro receptor. Para optimizar el acoplamiento de los transductores y la muestra, esrecomendable, si se puede, sumergir el sistema en agua. Esto tiene un gran efecto porque elacoplamiento influye en la intensidad de las medidas. A diferencia del método de pulso eco, es el transductor receptor quien convierte lavibración mecánica en señal eléctrica, que es amplificada y desplegada en el osciloscopio.2.- Objetivos de la experiencia Medir las velocidades de propagación de ondas longitudinales y transversalesmediante pulso-eco y transmisión, en muestras cilíndricas de diferentes metales yaleaciones. Comparar estas mediciones con las encontradas en la literatura. Determinar las constantes elásticas de los materiales ensayados a partir de lassiguientes relaciones: E λ + 2G G (3λ + 2G ) λ VL = VT = E= ν= ρ ρ λ +G 2(λ + G ) (3) 2 E λ 2ν K =λ + G G= = 3 2(1 + ν ) G 1 − 2νen que E: módulo de Young G: módulo de cizalle (= µ) λ: constante de Lamé ν: razón de Poisson K: módulo bulk ρ: densidad del material (conocida) Comparar estos resultados con los tabulados en la literatura.3.- Metodología Se realizarán todas las conexiones que sean necesarias para armar el montaje, segúnla disposición del laboratorio o de la persona que esté a cargo. Las muestras cilíndricas seubicarán alineadamente en un porta-muestra especialmente diseñado para el método detransmisión, que incluye también los porta-transductores. Se selecciona la frecuencia,amplitud y número de ciclos del pulso según mejor se obtenga la señal en el osciloscopio. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 19
  20. 20. Guía de laboratorios de Propiedades MecánicasCon este instrumento se mide la diferencia de tiempo de las señales emitida y recibida. Encuanto al método de pulso-eco, se utilizará sólo un transductor y la muestra, de tal formaque sea el mismo transductor quien reciba la señal de eco. Se mide el tiempo nuevamentecon el osciloscopio considerando que la señal ha viajado dos veces por la muestra.4.- Materiales e instrumentos Generador de señales de 50 MHz HP 8116 A. Osciloscopio Tektronic. Equipo deensayos no destructivos del laboratorio. Puente de diodos. Transductores ultrasónicos dediseño propio del laboratorio de 1, 2 y 3 MHz. Cables coaxiales de señal. Portamuestra.Muestras cilíndricas de aluminio, aceros y latón, de diámetro 12 mm y longitud variable.Aceite o vaselina como acopladores.5.- CuestionarioTemas adyacentes de investigación 1.- Efecto Piezoeléctrico. 2.- Cómo funciona un transductor? 3.- Fenómenos de Resonancia. 4.- Métodos de Onda Estacionaria. 5.- Transformada de Fourier y Espectro de una Señal 6.- Por qué a altas frecuencias el haz ultrasónico penetra menos en un material? 7.- Qué significa que un material sea Dispersivo? 8.- En qué unidades se mide la Atenuación?NOTA: Antes de entrar al laboratorio se hará un breve control en el que se harán 4preguntas escogidas al azar del cuestionario6.- InformeEl informe se estructurara en base a los siguientes puntos:6.1.- Introducción6.2.- Base teórica (hacer un resumen de no más de tres hojas de los aspectos más relevantesde lo que se haya leído sobre el tema de acuerdo a la bibliografía recomendada).6.3.- Montaje experimental (describir máquinas usadas, probetas ensayadas etc). Dospaginas como máximo.6.4.- Resultados (poner los resultados obtenidos, sin discutirlos). Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 20
  21. 21. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas6.5.- Discusión y análisis de resultados (analizar los resultados comentar aspectosrelevantes y en general poner las ideas que vayan aflorando sin autocensura; es la parte másimportante del informe).6.6.- Conclusiones (relacionar con los objetivos de la experiencia).6.7.- Bibliografía.7.- Referencias:7.1- ASM Handbook, 9a Edición. Metals Handbook. Vol. 17. p 231-277.7.2- “Sound Waves in Solids”. H.F.Pollard. Pion Limited. 1977. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 21
  22. 22. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas EXPERIENCIA Nº 1UNIDAD : LABORATORIO DE METALURGIA MECÁNICACARRERA : INGENIERÍA CIVIL METALÚRGICATEMA: EL ENSAYO DE ANISOTROPÍA1.- Introducción La anisotropía es una propiedad clave en los procesos de fabricación que involucranconformado, sobre todo en el caso de los materiales planos. En efecto, se sabe que duranteel proceso de embutición, por ejemplo, es vital que el material se comporteanisotrópicamente, es decir, tenga propiedades diferentes en cada dirección (normal versusplanar). Se sabe además que esto está relacionado con altos valores de r. Por otro lado, paraimpedir la formación de orejas es necesario una gran isotropía plana (valor de ∆r cercano acero). Por esta razón, la determinación de r y ∆r constituye una práctica común en lasoperaciones industriales.2.- Objetivos de la experiencia a) El objetivo de esta experiencia es determinar la anisotropía normal y plana en chapas de acero.3.- Metodología Se marcarán y medirán 20 mm alrededor del centro de la probeta (hacia arriba yhacia abajo del centro). Se medirá el ancho inicial de la probeta. Se traccionará hasta un 20% de deformación en la máquina de tracción. Se desmontará la probeta y se medirán elancho final y la distancia entre marcas. El valor de r se determinará a partir de la ecuación: w  ln  0   wf  r= (1) l w  ln  f f   l0 w0 en quew0 y wf son los anchos inicial y final respectivamentel0 y lf son los largos (distancia entre marcas) inicial y final respectivamenteSe contará con probetas orientadas a 0, 45 y 90º de la dirección de laminación. Por tanto losvalores medios de r y ∆r se calculan a partir de: Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 22
  23. 23. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas r0 + 2 r45 + r90 r= (2) 4 r0 − 2 r45 + r90 ∆r = (3) 2en que r0, r45 y r90 corresponden a la anisotropía normal medida a 0, 45 y 90º de la direcciónde laminación respectivamente.4.- Materiales e instrumentos Maquina de tracción Tinius&Olsen, extensómetro, diskettes, pie de metro,micrómetro. Materiales: acero 1010, plano.5.- Cuestionario(Al entrar al laboratorio deberán entregarse respondidas las siguientes preguntas).1.- Deducción de la ecuación (1).2.- Relación entre el índice de anisotropía normal y las texturas.3.- Relación entre el índice de anisotropía y la embutibilidad.4.- Relación entre el índice de anisotropía plano y la formación de orejas.5.- ¿Cómo se determina el porcentaje de deformación aplicado en la determinación de r?6.- ¿Qué es un material ortotrópico?7.- Variación de r con el tamaño de grano en aceros recocidos.8.- Definición del Limit Drawing Ratio (LDR).9.- Relación del LDR con el índice r.NOTA: Antes de entrar al laboratorio se hará un breve control en el que se preguntarán 4preguntas escogidas al azar del cuestionario6.- InformeEl informe se estructurara en base a los siguientes puntos:6.1.- Introducción6.2.- Base teórica (hacer un resumen de no más de tres hojas de los aspectos más relevantesde lo que se haya leído sobre el tema de acuerdo a la bibliografía recomendada).6.3.- Montaje experimental (describir máquinas usadas, probetas ensayadas etc). Dospaginas como máximo. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 23
  24. 24. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas6.4.- Resultados (poner los resultados obtenidos, sin discutirlos).6.5.- Discusión y análisis de resultados (analizar los resultados comentar aspectosrelevantes y en general poner las ideas que vayan aflorando sin autocensura; es la parte másimportante del informe).6.6.- Conclusiones (relacionar con los objetivos de la experiencia).6.7.- Bibliografía.7.- Referencias:7.1- Norma ASTM E-5177.2- Apuntes del curso de Metalurgia Mecánica7.3.- G. Dieter, Metalurgia Mecánica Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 24
  25. 25. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas EXPERIENCIA Nº 2UNIDAD : LABORATORIO DE METALURGIA MECÁNICACARRERA : INGENIERÍA CIVIL METALÚRGICATEMA: EL ENSAYO DE EMBUTICIÓN PROFUNDA1.- Introducción La embutición es una operación de conformación plástica, mediante la cual setransforma una chapa metálica en un cuerpo hueco, como por ejemplo: envases paraalimentos o vainas de municiones. El empleo de un material de comportamiento anisotrópico, es decir, que tengapropiedades diferentes en cada dirección (normal versus planar), facilita realizar laoperación de embutido. Por otro lado, un defecto del material es la formación de orejasdurante el embutido, controlándose aquella mediante la isotropía planar, que también espropiedad del material. En el proceso de embutición, la chapa experimenta una transformación a una piezacilíndrica. El disco inicial de diámetro D y espesor e, se transforma en un cuerpo dediámetro d1, espesor promedio e y altura h, como se muestra en la figura. En el borde del disco inicial se producen esfuerzos tangenciales de compresión yocasionan la formación de pliegues o arrugas, los cuales son indeseables en el proceso porcuanto una vez producidos es muy difícil eliminarlos. Para evitar este problema se utilizaun anillo prensachapas. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 25
  26. 26. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas Existen variados factores que gobiernan el proceso de embutición, entre ellos: laembutibilidad (parámetro LDR), la presión del anillo prensachapas, la tolerancia entre elpunzón y la matriz de embutido, radio de los perfiles de borde de la matriz y del punzón,lubricación de las superficies en contacto y en menor grado la velocidad de embutido comofactores principales. Todos ellos están relacionados por cuanto uno depende de otro, porejemplo, si varía el parámetro LDR, varía teóricamente la presión del anillo prensachapaspara evitar la formación de arrugas. Para producir una pieza que cumpla altos requerimientos y que no presente algunosde los varios tipos de defectos de embutido profundo, la pieza y el diseño de herramientasdebe ajustarse a un número de restricciones geométricas. Frecuentemente, pequeñoscambios en las dimensiones de la pieza y herramientas serán suficientes para eliminar seriasdificultades de producción.2.- Objetivos de la experiencia El objetivo de esta experiencia es obtener una pieza embutida satisfactoriamente, esdecir, transformar completamente un disco inicial en una pieza cilíndrica a través de laoperación de conformado plástico, controlando las variables del proceso a modo de evitar ominimizar la producción de arrugas en la pieza final y el adelgazamiento excesivo delmaterial. Además se desea determinar el valor del LDR (limit drawing ratio).3.- Metodología Se montarán las piezas necesarias para el ensayo, ajustando el punzón a la cavidadde la matriz. Se ubicará el disco inicial a embutir (cortado previamente con tijeras a lasdimensiones que se desprenden de los datos al final de este ítem) en la base de la estructura,centrándolo a ella mediante algún método (por ejemplo con una plantilla). Se procederá alubricar las superficies necesarias y a fijar el disco inicial mediante el anillo prensachapas,utilizando una presión estimada de acuerdo a las dimensiones del disco utilizado. Serealizará la operación de embutido con la ayuda de la máquina de tracción-compresiónhasta obtener la copa embutida. Se analizará la influencia de las variables iniciales en lapieza formada (diámetro del disco inicial, presión del prensachapas, lubricación). Semedirán espesores en distintas zonas de la copa para analizar el efecto del adelgazamientode las paredes de esta. Finalmente se calculará el LDR.La tolerancia entre la matriz y el punzón es: T= 0.5*(d-d1)-eDonde, d es el diámetro de la embocadura o perfil de borde de la matriz d1 es el diámetro del perfil de borde del punzón Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 26
  27. 27. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas e es el espesor del disco inicial.4.- Materiales e instrumentos Maquina de tracción Tinius&Olsen, estructura diseñada para el ensayo de embutido,láminas de acero bajo carbono para embutir, lubricante, diskettes, pie de metro,micrómetro.5.- Cuestionario(Al entrar al laboratorio deberán entregarse respondidas las siguientes preguntas). 1. Definición del Limit Drawing Ratio (LDR), teórica y matemática. 2. Relación entre el índice de anisotropía plano y la formación de orejas. 3. Nombrar los estados de esfuerzos a los que está sometido el material durante el proceso de embutición por efecto del punzón y la matriz. 4. Realizar un perfil de la variación del espesor de la copa embutida. 5. Predecir y explicar el comportamiento de la curva fuerza total del punzón versus carrera del punzón al interior de la pieza embutida. 6. ¿Cuál es la influencia del radio de curvatura del perfil de borde de la matriz y del punzón en la operación de embutido?. 7. ¿Cuál es la importancia de la lubricación en el ensayo? ¿En que superficies se aplica y por qué?.NOTA: Antes de entrar al laboratorio se hará un breve control en el que se harán 4preguntas escogidas al azar del cuestionario6. InformeEl informe se estructurara en base a los siguientes puntos: 6.1. Introducción 6.2. Base teórica (hacer un resumen de no más de tres hojas de los aspectos más relevantes de lo que se haya leído sobre el tema de acuerdo a la bibliografía recomendada). 6.3. Montaje experimental (describir máquinas usadas, probetas ensayadas etc). Dos paginas como máximo. 6.4. Resultados (poner los resultados obtenidos, sin discutirlos). Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 27
  28. 28. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas 6.5. Discusión y análisis de resultados (analizar los resultados comentar aspectos relevantes y en general poner las ideas que vayan aflorando sin autocensura; es la parte más importante del informe). 6.6. Conclusiones (relacionar con los objetivos de la experiencia). 6.7. Bibliografía.7. Referencias: 7.1. Apuntes del curso de Metalurgia Mecánica 7.2. G. Dieter, Metalurgia Mecánica 7.3. G. Sachs, Principles and Methods of sheet-metal fabricating. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 28
  29. 29. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas EXPERIENCIA Nº 3UNIDAD : LABORATORIO DE METALURGIA MECÁNICACARRERA : INGENIERÍA CIVIL METALÚRGICATEMA: CURVA DE PARIS1.- Introducción En la Mecánica de la Fractura elasto-plástica, se admite que los materiales soncapaces de poseer grietas capaces de crecer ya sea de manera estable, o bien,inestablemente. Ambas situaciones, quedan completamente descritas en el contexto de laMecánica Lineal de la Fractura por el concepto de factor crítico de intensidad de tensionesKIC, parámetro que es una propiedad del material, en tanto las condiciones que prevalezcanen el proceso sean de deformación plana. De acuerdo a la tensión remota aplicada, σ, esposible predecir la longitud crítica de grieta ac, la mayor grieta que puede existir de maneraestable en un material, a través de la ecuación: 2 1K  ac =  IC    π  Ψσ en que Ψ es una función de forma. Cuando las grietas presentes en un material alcanzaneste tamaño crítico, el crecimiento de las mismas se torna inestable, creciendo dentro delmaterial a velocidades de varios metros por segundo. En este último caso se habla defractura catastrófica. Para materiales con alta tenacidad a la fractura (alto valor de KIC ybajo valor del límite elástico), es posible que un gran número de grietas de tamaño inferioral critico existan establemente dentro del material. La velocidad de crecimiento de estasgrietas queda determinado por la ecuación de Paris da = A∆K m dNen que da/dN es la razón de crecimiento de la grieta (m/ciclo), A y m son constantespropias de cada material y ∆K = ψ∆σ πa , en que nuevamente Ψ es una función de forma.En la curva de Paris , Figura 1 , se aprecian claramente tres zonas, las que difieren entreellas en Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 29
  30. 30. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas da/dN=A*∆Km Rotura I II II I Log(da/dN) Log(∆K) Figura 1. Curva de Parisla velocidad de crecimiento de la grieta, característica propia de cada material.A. VELOCIDAD DE AVANCE DE GRIETA. La velocidad de avance de grieta puede determinarse a partir de: da ∆a a − an −1 → = n dN ∆N N n − N n −1en que a es la longitud de grieta y N el número de ciclos medidos para llegar a esa longitudde grieta y se mide en m/ciclo. El subíndice n indica la situación en un instante dado (entérmino de número de ciclos) y el subíndice n-1 indica una situación anterior.B. CÁLCULO DE FACTOR DE INTENSIDAD DE ESFUERZOS. Para las probetas C-T el cálculo del factor de intensidad de esfuerzos ∆K serealiza mediante la siguiente ecuación : ∆P (2 + α ) ∆K = 3 ( 0.866 + 4.64α − 13.32α 2 + 14.72α 3 − 5.6α 4 ) B W (1 − α )2ecuación en la cual se deben tener las siguientes consideraciones: a α= , donde α ≥ 0.2 W ∆P = Pmáx − Pmín , para un R > 0 B es el espesor de la probeta Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 30
  31. 31. Guía de laboratorios de Propiedades MecánicasW es el ancho de la probetaa es la longitud de grietaPmáx y Pmín son la carga máxima y mínima respectivamente Las unidades en que se expresa el factor de intensidad de esfuerzos son Pa m .C. RAZÓN DE CARGA La razón de carga ( R ), se define como el cuociente entre la carga mínima ymáxima y se expresa de la siguiente manera: Pmín R= Pmáx Los resultados obtenidos se representan en diagramas da/dN v/s ∆K que tambiénse denominan curva de Paris. En el eje de las abscisas se grafica el factor de intensidad deesfuerzos y en el eje de las ordenadas la velocidad de crecimiento de grieta. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 31
  32. 32. Guía de laboratorios de Propiedades MecánicasD. GEOMETRÍA DE LA PROBETA W B d 0.6W a an Figura 2. Dimensiones de la probeta C-T. La probeta C-T tiene las dimensiones de la figura 2, [3]. Las dimensiones seencuentran en milímetros y su geometría dependerá del propósito del ensayo.I. Equipo de fatiga Rumul Este equipo esta diseñado para producir resonancia de probetas utilizando unmovimiento amplificado de un sistema masa-resorte-probeta. Mediante un campo electromagnético producido por un electroimán se impulsaintermitentemente un sistema compuesto por una masa en su núcleo y dos resortes a sualrededor. Esta vibración producida es trasmitida a un conjunto de mordazas las cualessostienen la probeta. Se entiende que el sistema es forzado a vibrar por la masa que se decide utilizar,entendiéndose que la masa es intercambiable. Existen cuatro masas distintas, debido a estoes que la frecuencia de resonancia alcanzada dependerá de la geometría y del material quese este utilizando. Es por esto que probetas de la misma geometría, pero de distintomaterial vibran establemente de modos diferentes. La capacidad de la celda de carga en tensión o compresión es de 20 kN. Su cargaestática máxima fluctúa entre -20 kN (compresión) y 20 kN (tracción). Su carga dinámicafluctúa entre –10 kN y 10 kN. Las cualidades de este equipo son que: hace vibrar una probeta para agrietarla ohacer avanzar una fisura ya existente y realiza ensayos de tenacidad a la fractura,incrementando la carga hasta la rotura. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 32
  33. 33. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas2.- Objetivos de la experiencia a) Investigación de la ecuación 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 dirección de laminado del material en la curva de Paris para una misma razón 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 actúa sobre ella mediante cargasestáticas y dinámicas. Posee un juego de masa intercambiables para varias frecuencias deciclado.Interfase de control: Es simplemente el control. Desde aquí se enciende el equipo,incluyendo el PC. La adquisición de datos debe establecerse con la pulsación de “I/O”Computador personal: mediante el cual se posicionan las mordazas que toman lasprobetas. Aquí se puede seleccionar el tipo de ensayo que se desea realizar, (Optimizing,set up, Fatigue crack growth, Precracking, KIC test). También se pueden ingresar valores decargas o deformaciones, tanto estáticas como dinámicas. Un criterio fundamental a respectar para no dañar el equipo es controlar lapotencia que se ha de consumir en su operación. Esta no deberá sobrepasar el 20% paracondiciones suaves de resonancia, de lo contrario se debe detener el funcionamiento delequipo. La potencia se puede monitorear en la set up. PROCEDIMIENTO PARA LA PUESTA EN FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPOA. Energizar: Se deben subir los interruptores de los automáticos.B. Verificar en el control que el pulsador rojo pequeño de parada de emergencia este en posición de funcionamiento, girándolo en sentido horario y tirándolo hacia fuera.C. Gira perilla roja grande en la parte inferior del control.D. Encender desde le botón que indica “PC”, bajo la tapa de plástico transparente que posee cerradura. En ese momento debe iluminarse el monitor y aparecer un mensaje. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 33
  34. 34. Guía de laboratorios de Propiedades MecánicasE. Para confirmar el siguiente paso, aceptar con el ratón o pulsar “enter”. Esto hará que se emita una señal sonora que pide conectar la adquisición de datos del control, para ello se debe tener oprimido el pulsador “I/O” por el tiempo necesario para que alcance un régimen estable el sonido de los ventiladores que en ese instante se activan (15 s aprox.). Solo ahora se estará en el menú principal y en condiciones de entrar a los programas Rumul.4.- Desarrollo experimentalPreparación de las probetas Las probetas deben ser previamente pulidas con lija al agua 600, con el objeto defacilitar la visualización de la iniciación y propagación de la grieta. El pulido deberealizarse de tal manera que la dirección del lijado debe ser perpendicular a la dirección delpreagrietado. En la probeta se deben trazar 20 líneas perpendiculares al preagrietado, con unadistancia de 1 mm de espaciado a contar de la punta del preagrietado. Se debe trabajarcon absoluta prolijidad, debido a que una mala realización puede alterar los resultados.Cada 2 mm se deben enumerar las líneas, con el propósito facilitar la medición. Se debetener en cuenta que se asume como ya conocida la geometría de las probetas[3]Montaje de las probetas Una vez estando en la set up, se debe ingresar a la opción “CROSSHD”, donde seajusta la posición de las mordazas. Se debe colocar un pasador 1°, posteriormente corrigiendo la posición de laprobeta 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 será expuesta la probeta, se procedea ingresar los valores, ya sea carga estática como dinámica. Se verifica que el contador de ciclos se encuentre en cero y se monitorea lapotencia de trabajo del equipo.Obtención de datos Se toma nota del número de ciclos en el cual se inicia la grieta. Posteriormente, serealiza lo mismo milímetro a milímetro hasta la rotura de la probeta (siempremonitoreando la potencia para evitar que esta sobrepase 20%) Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 34
  35. 35. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas5.- Materiales e instrumentos Maquina de fatiga resonante RUMUL, diskettes, pie de metro, micrómetro. Materiales: aleaciones de aluminio 2024-T3.6.- InformeEl informe se estructurara en base a los siguientes puntos: 6.1. Introducción 6.2. Base teórica (hacer un resumen de no más de tres hojas de los aspectos más relevantes de lo que se haya leído sobre el tema de acuerdo a la bibliografía recomendada). 6.3. Montaje experimental (describir máquinas usadas, probetas ensayadas etc). Dos paginas como máximo. 6.4. Resultados (poner los resultados obtenidos, sin discutirlos). 6.5. Discusión y análisis de resultados (analizar los resultados comentar aspectos relevantes y en general poner las ideas que vayan aflorando sin autocensura; es la parte más importante del informe). 6.6. Conclusiones (relacionar con los objetivos de la experiencia). 6.7. Bibliografía.7. Referencias: 7.1 Apuntes del curso de Metalurgia Mecánica 7.2 G. Dieter, Metalurgia Mecánica 7.3 G. Sachs, Principles and Methods of sheet-metal fabricating. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 35
  36. 36. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas EXPERIENCIA Nº 4UNIDAD : LABORATORIO DE METALURGIA MECÁNICACARRERA : INGENIERÍA CIVIL METALÚRGICATEMA: DETERMINACIÓN DEL KIC UTILIZANDO PROBETAS DE FLEXIÓNCON CARGA EN TRES PUNTOS, SEGÚN NORMA ASTM E3991.- Introducción La “resistencia a la fractura” o tenacidad K, constituye el concepto básico de lamecánica de la fractura y el K IC la medida de tenacidad crítica de un material. La normaASTM E399 plantea un método de medida de K IC , la que es actualmente de aceptacióngeneral. Las condiciones del ensayo se plantean en un ambiente neutral y con la presenciade una grieta aguda en la probeta, la cual es sometida a una fuerza tensora intensa. Elestado de tensión cerca del frente de la grieta se encuentra en una condición dedeformación plana y la región plástica ubicada en la punta de la grieta, es pequeñacomparada con su tamaño y la dimensión de la probeta en la dirección de aplicación de lafuerza. Para poder efectuar el ensayo, es necesario contar con el utillaje aceptado por lanorma, y la máquina para fatiga y carga que se efectuará a la probeta.2.- Objetivos de la experienciaObjetivo General Determinar el KIC de un material, de acuerdo a las condiciones establecidas por lanorma ASTM E399-83 para probetas de flexión con carga en tres puntos. Esto permitiráconocer la utilización del utillaje correspondiente, implementación del ensayo y etapasinvolucradas.Objetivos Específicos Conocer la utilización del utillaje correspondiente, implementación del ensayo yetapas involucradas.3.- Procedimiento experimental Las máquinas utilizadas para desarrollar el ensayo son la Máquina de FatigaRUMUL y Máquina de Tracción – Compresión TINIUS OLSEN. La experiencia sedesarrollará en 3 pasos: mecanizado, fatiga y carga de probetas. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 36
  37. 37. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas3.1 Primer paso metodológico: mecanizado de probetasA) Dimensionamiento y configuración de probetas. Los parámetros “B”, “W” y “S” son los valores de espesor, alto y longitud entreapoyos de la probeta respectivamente (figura 1). Estos valores se encuentran por laaplicación de la ecuaciones 1, 2 y 3, función del K IC y σ 0.2% del material a ensayar, dondeel KIC debe ser registrado en datos experimentales obtenidos anteriormente en referencia. 2 K  B ≥ 2.5 *  IC  (ec. 1)  σ 0.2%  W = 2B (ec. 2) S = 4W = 8 B (ec. 3)donde: B : Espesor mínimo de la probeta de flexión.W : Altura de la probeta.S : Largo entre apoyos de la probeta (entre rodillos). P 2.1W(min.) 2.1W(min.) B=W/2±0.010 S=4W W±0.005W a P P 2 2Figura 1: Medidas principales de la probeta de flexión: “ B ”, “ W ” y “ S ”. “ D ” representa la medida del diámetro de los rodillos de apoyo de la probeta, restringidos por la condición señalada en el esquema. (Fuente: ASTM E 399-83)B) Configuración 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 lalongitud de la grieta “ a ” (medida desde el comienzo de la entalla), debe seraproximadamente igual al espesor “ B ” de la probeta (0.45W< a <0.55W siendo B=0.5W).Más específicamente se debe cumplir la condición señalada en la ecuación 4, con la cual elensayo queda condicionado bajo un régimen lineal elástico. W − a ≅ a ≥ 2.5 * ( K IC / σ 0.2% ) 2 (ec. 4) Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 37
  38. 38. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas Longitud total de la grieta Cara .externa .de.la . probeta Grieta provocada por fatiga Ø<90º N<W/10 0.45W < a < 0.55W Figura 2: Forma y dimensiones de la entalla. Dimensión del largo de grieta producto de la fatiga aceptable por la norma E399-83. (Fuente: ASTM E399-83)3.2 Segundo paso metodológico: fatiga de probetas1) 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 dirección a 90º 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 lápiz de tinta en dirección perpendicular al desplazamiento que tendrá la grieta.Montar en la máquina de fatiga el utillaje construido para efectuar el ensayo, asegurándoseque éste 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. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 38
  39. 39. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1Figura 3: Esquema de montaje para utillaje 2; pieza Nº1 (cilindro de ajuste de la base); pieza Nº2 (tuerca de ajuste); piezas Nº 3 y Nº 4 (base del utillaje), piezas Nº 5 y Nº6 (fijación de la probeta), piezas Nº 8 y Nº 9(punzón); pieza Nº10 (cilindro de ajuste del punzón). La pieza Nº 7 corresponde a la probeta utilizada en el ensayo (no es parte del utillaje). (Fuente: Alvarez Roberto, Tesis 2002)4) Ingresar en la máquina los valores de carga estática y dinámica requeridos en el ensayo, con la finalidad de iniciar la fatiga de la probeta, siendo estos valores negativos en el ingreso a la máquina (modalidad de compresión) pero positivos con respecto a su accionar en la entalla de la probeta (fig. 4). La máxima intensidad de esfuerzo en la etapa terminal (último 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 utilización de un mínimo nivel de tensiones, compatible con un tiempo de crecimiento razonable de la pregrieta. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 39
  40. 40. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas CARGA (KN) 2.0 1.5 − 1.5 1.0 − 1.0 Carga Estática 0.5 Amplitud de la 0.5 Carga Dinámica 0000 .. Nº DE − 0.5 0.5 Figura 4: Esquema de la carga dinámica y estática aplicada en los ciclos de fatiga. (Fuente: Alvarez Roberto, Tesis 2002)5) Sintonizar la resonancia estable de la probeta en los límites aconsejables (regulando el Tuning y Phase en el computador) y observar cuidadosamente la formación de la grieta. Al respecto, se considera que la máquina ha entrado en resonancia cuando la pérdida de energía (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 dinámica y estática) y se procede a tomar el dato correspondiente al número de ciclos registrado por la máquina. Usualmente el número de ciclos de fatiga debe encontrarse entre 104 y 106, dependiendo del tamaño de probeta, preparación de la entalla y el nivel de intensidad de esfuerzo aplicado. Si el número total de ciclos es excesivo, la causa es usualmente producto de una razón de crecimiento de grieta baja. La forma de solucionar este problema es aumentar gradualmente la carga estática, hasta encontrar un valor adecuado que entregue un número de ciclos que esté dentro del rango establecido. Si aún no se obtiene un crecimiento de grieta dentro del rango aceptable, entonces se procede a aumentar la carga dinámica. 3.2 Tercer paso metodológico: carga de probetas hasta la fractura1) Efectuar el cálculo de carga necesaria para romper la probeta Pmáx.., utilizando la relación dictada por la norma PQ = (KQ · B · W3/2) / (S · f(a/W)) propia de la probeta de flexión y entregando a KQ el valor de KIC más un valor de 0.5 para la relación (a/W) en base a la configuración de la probeta (*).(*) (a/W) = 0.5 ⇒ f(a/W) = 2.66 Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 40
  41. 41. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas2) Asumiendo que el utillaje se encuentra montado en la máquina de fatiga RUMUL, colocar las uñetas a la probeta y en ellas insertar el extensómetro. Este dispositivo a su vez se conecta a la máquina para poder registrar los valores de desplazamiento de la abertura de la grieta “v” (fig. 5). Las uñetas se fijan firmemente para asegurar la posición del extensómetro, evitando una posible distorsión en el registro de "v". En este punto, es pertinente señalar que las uñetas son piezas metálicas 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). Ga lg a Agrietamiento. por . fatiga Tracción Compresión Tracción Entalla.de.la . probeta Figura 5: Extensómetro 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 más incremento de carga (fractura). La interfase de la máquina registrará la dispersión de puntos en la curva de carga “P” – P Pm áx . = Pcrítica 0 v 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 régimen elástico lineal perfecto. (Fuente: Fuentes, P., 1986) Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 41
  42. 42. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas 3) Finalmente, se procede a tomar los datos registrados en el ensayo y se realizan posteriormente los cálculos necesarios para encontrar un válido “ K IC ”en el material de estudio. 4.- Cálculos a realizar 4.1 Obtener la tabla de datos y/o curva entregada por la máquina (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 crítica 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 crítica “PQ”. La figura 7 muestra los 3 tipos de curvas P-v y las respectivas relaciones entre P5% , PQ y Pmáx. P P P Pmáximo Pmáximo PQ Pmáximo = PQ P5% = PQ P5% Tipo I Tipo II Tipo III v v v Curva _ P − ∨ Tangente _ 95% _ pendiente Figura 7: Tipos característicos de curvas P-v en donde se aprecia la relación entre P5% , PQ y Pmáx. (Fuente: ASTM E399-83)• Si “ P5% ” es superior a cualquier valor previo de carga (Tipo I), se toma a “ P5% ” como valor condicional de la carga crítica “ PQ ”. Si existe un máximo de carga previo a “ P5% ” (Tipos II y III), se toma a éste valor como “ PQ ”. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 42
  43. 43. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas4.3 Verificar la condición de deformación plana ( ec. 5) mediante el criterio impuesto por la norma ASTM E399-83. Pmáx < 1.10 (ec. 5) PQ4.4 Verificar condiciones de distribución del crecimiento de la grieta en la probeta fracturada. ai − a j < 0.05a CONDICIÓN 1 (ec. 6) a e > 0.90a CONDICIÓN 2 (ec. 7)Donde ai, aj y ae son medidas de la longitud de la grieta cuya ubicación se señala en lafigura 8. a3 Superficie.de Entalla.de.la. probeta ae fractura. finalEntalla de la Superficie de Superficie deprobeta grieta fractura final provocada por fatiga 3B/ 4 B/2 B/ 4 ae a1 Superficie.de.grieta propagada. por. fatiga a2 a1 + a2 + a3 a= 3 ai − a j < 0.05a ae > 0.90a Figura 8(b): Esquema que muestra la cara Figura 8(a): Foto que muestra la cara fracturada de la probeta de flexión. Representa el fracturada de la probeta de flexión donde se lugar exacto en donde deben ser tomadas las visualizan tres zonas representativas. medidas del largo de grieta, para calcular la longitud (Fuente: Roberto Alvarez, Tesis 2002) de grieta promedio y analizar las condiciones señaladas. (Fuente: Fuentes P. et al “Apuntes del curso Introducción a la mecánica de la fractura”, 1986)4.5 Verificar condiciones de dirección del crecimiento de la grieta en la probetafracturada. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 43
  44. 44. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas α W B β Figura 9: Esquema de la probeta de flexión fracturada, que indica los respectivos ángulos de inclinación de la grieta ( / ): ángulo"α" con respecto a la dirección de la longitud "W" y ángulo "β" con respecto a la dirección del espesor "B". (Fuente: Roberto Alvarez, Tesis 2002)4.5 Calcular el porcentaje de fractura oblicua en la cara fracturada de la probeta. Zona de fractura Figura 10: Zona de fractura oblicua en la cara fracturada de la probeta de flexión. (Fuente: Alvarez Roberto, Tesis 2002)4.6 Calcular y validar el factor crítico de intensidad de tensiones condicional KQ. CÁLCULO DE KQ Se procede a calcular el factor crítico de intensidad de tensiones condicional “ K Q ”, mediante la aplicación de la ecuación 8 para la probeta de flexión: ( ) K Q = PQ S / BW 3 / 2 ⋅ f (a / W ) (ec. 8) Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 44
  45. 45. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicassiendo:f (a / W ) = 3(a / W ) 1/ 2 [1.99 − (a / W ) ⋅ (1 − a / W ) ⋅ (2.15 − 3.93a / W + 2.7(a / W ) )] 2 2(1 + 2a / W ) ⋅ (1 − a / W ) 3/ 20.45 ≤ a / W ≤ 0.55 ⇒ 2.29 ≤ f (a / W ) ≤ 3.14donde:PQ : Carga crítica a la cual se propaga la grietaB : Espesor de la probeta de flexiónW : Altura de la probeta de flexiónS : Longitud entre los apoyos de la probeta de flexióna : Longitud de la grieta promediof (a / W ) : Función que está sobre la base del tipo de probeta y sus dimensiones. Para validar el K Q convirtiéndose definitivamente en el K IC del material enestudio, se han de cumplir dos condiciones exigidas por la norma. Las condiciones acumplir son las siguientes: B ≥ 2 . 5 ⋅ ( K Q / σ 0 .2 % ) 2 CONDICIÓN Nº1 (ec. 9) W − a ≈ a ≥ 2.5 ⋅ ( K Q / σ 0.2% ) 2 CONDICIÓN Nº2 (ec. 10)4.7 Comparar el valor de KIC obtenido con los datos de referencia.PD: según norma ASTM E399, es necesario efectuar como mínimo 3 ensayos para ladeterminación del KIC de un material, calculando el promedio entre ellos.5.- MATERIALES E INSTRUMENTOS Las máquinas utilizadas para desarrollar el ensayo son la Máquina de FatigaRUMUL y Máquina de Tracción – Compresión TINIUS OLSEN. La experiencia sedesarrollará en 3 pasos: mecanizado, fatiga y carga de probetas.6.- InformeEl informe se estructurara en base a los siguientes puntos:6.1.- Introducción6.2.- Base teórica (hacer un resumen de no más de tres hojas de los aspectos más relevantesde lo que se haya leído sobre el tema de acuerdo a la bibliografía recomendada). Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 45
  46. 46. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas6.3.- Montaje experimental (describir máquinas usadas, probetas ensayadas etc). Dospaginas como máximo.6.4.- Resultados (poner los resultados obtenidos, sin discutirlos).6.5.- Discusión y análisis de resultados (analizar los resultados comentar aspectosrelevantes y en general poner las ideas que vayan aflorando sin autocensura; es la partemás importante del informe).6.6.- Conclusiones (relacionar con los objetivos de la experiencia).6.7.- Bibliografía.7.- Referencias:7.1- Apuntes del curso de Metalurgia Mecánica7.2- G. Dieter, Metalurgia Mecánica7.3- G. Sachs, Principles and Methods of sheet-metal fabricating. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 46
  47. 47. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas EXPERIENCIA Nº 5UNIDAD : LABORATORIO DE METALURGIA MECÁNICACARRERA : INGENIERÍA CIVIL METALÚRGICATEMA: APLICACIÓN DE TÉCNICAS DE FOTOELASTICIDAD A LA DETERMINACIÓN DE CAMPOS DE ESFUERZOS1.- Introducción Algunos materiales transparentes como cristales y plásticos tienen la propiedad devolverse birrefringentes por la aplicación de tensiones. La birrefringencia es la capacidadde un material isotrópico de volverse anisitrópico (desde el punto de vista óptico). Estosignifica que la luz encuentra diferentes índices de refracción al atravesar el material endiferentes direcciones. La birrefringencia fue descubierta por Brewter en 1816 y es elfundamento de la técnica llamada Fotoelasticidad. La luz emergente de un material birrefringente es la resultante de la suma de suscomponentes ortogonales, existiendo una retardancia angular que depende de la diferenciade velocidades. Expresando la retardancia en función de la diferencia entre los índices derefracción que están relacionados con las velocidades, se tiene 2π h ∆= (n1 − n2 ) λdonde h es el espesor de la muestra de material birrefringente y λ la longitud de onda de laluz utilizada.Bajo tensión o compresión, el material toma las propiedades de un material birrefringente.En cualquier caso el eje óptico efectivo está en la dirección del esfuerzo y la birrefringenciainducida es proporcional al esfuerzo. La retardancia en cualquier punto de la muestra esproporcional a la diferencia principal de esfuerzos. La relación entre los esfuerzos y elíndice de refracción fue formulada por Maxwell en 1890, y se puede escribir como n1 − n2 = C (σ 1 − σ 2 )donde C es el coeficiente elástico-óptico relativo, n1 y n2 los índices de refracción de losejes principales asociados con σ1 y σ2 respectivamente. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 47
  48. 48. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas2.- Objetivos de la experiencia El objetivo de esta experiencia es hacer un análisis de tipo cualitativo de lasdistribuciones de esfuerzos sobre un material transparente, al cual se le aplican diferentesdistribuciones de tensiones. Visualizar el estado tensional de un material después de mecanizado y compararlocon el estado tensional después de someter el material a un recocido.3.- Metodología Se monta el material a estudiar en un banco óptico, con las caras perpendiculares a ladirección de la fuente de luz. Este material se sitúa en medio de dos polarizadores y 2retardadores λ/4, como muestra la figura 1. Figura 1. disposición usada en el montaje de esta experiencia.Después se realiza un ensayo de tracción a baja velocidad de deformación y se visualizacómo cambia el estado tensional de la probeta. La figura 2 corresponde a una imagen conlñuz polarizada obtenida de una probeta sometida a tensiones. Figura 2. Ejemplo de una imagen obtenida con luz polarizada de un material sometido a tensiones. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 48
  49. 49. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas4.- Materiales e instrumentos Maquina de tracción Tinius&Olsen, estructura diseñada para el ensayo de tracción,2 polarizadores, 2 láminas retardadoras λ/4, banco óptico y fuente de luz monocromática (de preferencia una que presente una luz sin longitudes de onda retardadas, es especial paraeste experimento una fuente de luz como la que entregan las proyectoras.5.- Cuestionario(Al entrar al laboratorio deberán entregarse respondidas las siguientes preguntas). 1. Que tipo de materiales presentan la características de volverse birrefringentes ante la aplicación de un estado de tensión o compresión. 2. Que hace que se vean diferentes estados de colores en la muestra ante la aplicación de una tensión. 3. De que forma se podrían calcular las direcciones de tensiones que actúan en la probeta. 4. Explicar que es el fenómeno de birrefringencia. 5. Que produce un polarizador después que pasa por él una luz monocromática. 6. Cual es el efecto que producen los retardadores λ/4.NOTA: Antes de entrar al laboratorio se hará un breve control en el que se harán 4preguntas escogidas al azar del cuestionario6.- InformeEl informe se estructurará en base a los siguientes puntos:6.1.- Introducción6.2.- Base teórica (hacer un resumen de no más de tres hojas de los aspectos más relevantesde lo que se haya leído sobre el tema de acuerdo a la bibliografía recomendada).6.3.- Montaje experimental (describir máquinas usadas, probetas ensayadas etc). Dospaginas como máximo.6.4.- Resultados (poner los resultados obtenidos, sin discutirlos).6.5.- Discusión y análisis de resultados (analizar los resultados comentar aspectosrelevantes y en general poner las ideas que vayan aflorando sin autocensura; es la parte másimportante del informe).6.6.- Conclusiones (relacionar con los objetivos de la experiencia).6.7.- Bibliografía. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 49
  50. 50. Guía de laboratorios de Propiedades Mecánicas7.- Referencias:7.1- Monsalve A., Apuntes del curso de Metalurgia Mecánica, 2002.7.2- Ortiz B. L., Elasticidad, Mc Graw-Hill Book, Tercera Edición, 1998.7.3- Tesis Manuel Olivares Distribución y propagación de esfuerzos 2000. Departamento de Ingeniería Metalúrgica – USACH. A. Monsalve G. 50

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