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SECRETARIA DE EDUACION PUBLICA INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACÁN

CARRERA DE INGENIERIA MECANICA

LABORATORIO DE ENSAYE DE MATERIALES

PRACTICA 4

“ENSAYO DE FATIGA”

PROFESOR: FORTIS ROA JUAN FRANCISCO

ALUMNA: CASTILLO AVILÉS JENNIFER GUADALUPE

GRUPO: 5MV2

INDICE OBJETIVO .......................................................................................................................................................... 1 INTRODUCCION ................................................................................................................................................ 2 PRINCIPIOS TEORICOS ...................................................................................................................................... 4 GLOSARIO DE TERMINOS.................................................................................................................................. 5 EQUIPO USADO ................................................................................................................................................ 7 PROCEDIMIENTO DE LA PRACTICA ................................................................................................................... 8 DATOS DE LA PRACTICA OBTENIDOS.............................................................................................................. 10 GRAFICA .......................................................................................................................................................... 11 FORMULA Y OBTENCION DEL ESFUERZO DE FLEXION ESTATICO ................................................................... 12 FOTOGRAFICA................................................................................................................................................. 15 CONCLUSION .................................................................................................................................................. 16 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................................. 17 WEBGRAFIA .................................................................................................................................................... 18

OBJETIVO ❖ El objetivo de este experimento es el de llevar acabo un ensayo introductorio de la fatiga usando una maquina rotativa de Wohler. Los objetivos específicos son: ✓ Con la realización de esta práctica conoceremos la máquina rotativa de fatiga, así como funcionamiento. ✓ Demostrar que la ruptura del material puede ser causada por la aplicación de un número elevado de ciclos de aplicación de esfuerzos alternativos, aun cuando el esfuerzo máximo. menor que el esfuerzo correspondiente al límite de cadencia del material. ✓ Obtendremos resultados experimentales de la práctica que posteriormente compararemos los resultados obtenidos en la teoría.

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INTRODUCCION La fatiga de los materiales es un fenómeno frecuente en componentes de máquinas, el cual produce la ruptura, causada por la aplicación de un número elevado de variaciones de esfuerzo en un punto aun cuando el máximo esfuerzo sea menor que el esfuerzo correspondiente al límite de cedencia del material. La fractura se inicia debido a esfuerzos de tensión en una falla que puede ser macroscópica o microscópica. Una vez que se inicia el proceso, el borde de la fisura actúa como un concentrador de esfuerzos y este fenómeno permite la propagación de la fisura y por lo tanto la reducción de la sección de la pieza, de tal forma que la sección llega a ser tan pequeña que ya no puede transmitir la carga aplicada. La falla por fatiga puede ocurrir en todos los materiales, pero hay marcadas diferencias en su incidencia. Por ejemplo: el acero suave tiene un límite de resistencia a la fatiga de tal manera que si aplicamos esfuerzos abajo de este límite nunca se producirá una fractura por fatiga, sin embargo, en las aleaciones de aluminio no existe dicho límite. Como consecuencia de estas diferencias hay dos métodos de diseño: ▪

Con materiales como el acero con bajo contenido de carbono el rango de aplicación de esfuerzos puede mantenerse por debajo del límite de fatiga.

▪

De otra forma se puede adoptar el criterio de diseñar la pieza, de tal manera que se especifique el número de ciclos para la variación de los esfuerzos, con este método, la pieza será reemplazada cuando haya alcanzado el número de ciclos para la que fue diseñada. Este último método es muy común en la aeronáutica en donde el uso del aluminio es muy extenso.

Si el diseño se basa en el segundo método cuando se espera que ocurra una falla por fatiga, entonces los datos obtenidos en pruebas de laboratorio deberán ser muy precisos, para asegurar la vida útil de la pieza. El estudio relacionado con las pruebas de fatiga es muy extenso, y se complica por factores importantes, tales como: ➢ El acabado superficial de la probeta. ➢ La forma de variación de los esfuerzos. ➢ La influencia de la forma y sección de la probeta sobre el flujo de esfuerzos. Es del conocimiento general que las probetas altamente pulidas soportan mejor la fatiga que aquellas que tienen un maquinado normal. 2

El tipo de variación de esfuerzos más crítico se presenta cuando, se hace una inversión completa de los esfuerzos, es decir cuando pasa de un máximo de tensión a un máximo de compresión (±𝜎), para el cual el rango de esfuerzo es 2𝜎. La forma de un elemento de máquina es muy importante, debido a que, en las esquinas, en muescas y ranuras los esfuerzos locales que se producen pueden alcanzar valores que son varias veces más grandes que el valor promedio calculado debido precisamente al fenómeno de concentración de esfuerzos. Se pueden efectuar experimentos como los llevados a cabo por Wohler. Este investigador seleccionó el método de esfuerzos completamente invertidos aplicados a una pieza, para ello emplea una probeta montada en cantiliver que gira sobre su propio eje longitudinal, por lo que los esfuerzos en cualquier punto de la superficie de la viga en cantiliver varía en forma senoidal.

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PRINCIPIOS TEORICOS En ingeniería y, en especial, en ciencia de materiales, la fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas (fuerzas repetidas aplicadas sobre el material) se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura. Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo repetidamente se rompe con facilidad, pero la fuerza que hay que hacer para romperlo en una sola flexión es muy grande. La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes (puentes, automóviles, aviones). Su principal peligro es que puede ocurrir a una tensión menor que la resistencia a tracción o el límite elástico para una carga estática, y aparecer sin previo aviso, causando roturas catastróficas. Es un fenómeno muy importante, ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálicos, aunque también está presente en polímeros y en cerámicas.

En el estudio de los materiales en servicio, como componentes de órganos de máquinas o estructuras, debe tenerse en cuenta que las solicitaciones predominantes a que generalmente están sometidos no resultan estáticas ni cuasi estáticas, muy por lo contrario en la mayoría de los casos se encuentran afectados a cambios de tensiones, ya sean de tracción, compresión, flexión o torsión, que se repiten sistemáticamente y que producen la rotura del material para valores de la misma considerablemente menores que las calculadas en ensayos estáticos. Este tipo de rotura que necesariamente se produce en el tiempo, se denomina de fatiga, aunque es común identificarla como roturas por tensiones repetidas, tensiones que pueden actuar individualmente o combinadas.

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GLOSARIO DE TERMINOS A. CANTILÉVER Un voladizo es un elemento estructural rígido, como una viga, que está apoyado solo por un lado a un elemento (usualmente vertical), del que sobresale. También se pueden construir voladizos con celosías o forjados. Cuando se somete a una carga, el voladizo la transmite al apoyo al que está sujeto mediante un momento y una tensión cortante. B. ESFUERZO DE SEDENCIA El esfuerzo de cedencia se define como el punto en el cual, el material sufre una deformación plástica, es decir, el material pasa la zona de deformación elástica y queda deformado permanentemente.

C. ESFUERZOS VARIABLES O FLUCTUANTES Es la influencia del esfuerzo medio no nulo. Se llama esfuerzo fluctuante a aquel que es variable en el tiempo y no necesariamente debe ser de inversión completa, es decir tener valor medio nulo. D. LA FALLA O RUPTURA La falla o ruptura de un material deberá estar ligada a los esfuerzos o a las deformaciones que experimente éste cuando se les somete a ciertas solicitaciones, o bien, a un concepto que involucre tanto los esfuerzos como las deformaciones, tal es el caso de la energía de deformación. E. RESISTENCIA ULTIMA La resistencia última es el esfuerzo máximo al que puede resistir un material, en cada material va a variar la resistencia debido a su composición o características. F. RUGOSÍMETRO El rugosímetro es un instrumento capaz de cuantificar la calidad que tienen diferentes superficies y perforaciones. Puede medir la rugosidad que presentan las piezas mecánicas. Con el rugosímetro se puede determinar el nivel de desgaste, así como la resistencia que puede tener una pieza mecánica.

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G. CABEZA DE SUJECIÓN La cabeza de sujeción es el que sirve para sostener la probeta mientras se pone en la máquina. H. CONCENTRICIDAD Una tolerancia de concentricidad especifica una zona de tolerancia cilíndrica cuyo eje coincide con un eje de referencia y dentro de la cual todos los ejes de sección transversal de la característica de ser controlado deben estar en posición. La zona de tolerancia está dispuesta igualmente sobre el eje de referencia de la concentricidad. La concentricidad requiere que los puntos medios de la función de control, independientemente de su tamaño, al estar dentro de la zona de tolerancia.

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EQUIPO USADO ❖ Una base magnética con indicador. ❖ Un juego completo de accesorios. ❖ La máquina rotativa de fatiga. El motor gira a 2850 rpm, se considera una hora por cada 330.000 ciclos. El contador de revoluciones tiene un engranaje de reducción de 1 a 50 y cuenta con 5 dígitos. La base es de acero diseñada para colocarse en un banco o pedestal hacia una orilla para permitir la acción de las pesas. Idealmente deberá usarse un pedestal o banco aislado del piso por medio de tacones de hule para minimizar los efectos de vibración de otras máquinas. El cabezal tiene seis tornillos de ajuste que se giran hasta que la probeta gira concéntricamente A. Un juego de pesas de hasta 30 N. B. Probetas normalizadas típicas de acero o aleaciones de aluminio con un diámetro de garganta de 4 mm.

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PROCEDIMIENTO DE LA PRACTICA Debido a que los experimentos de fatiga pueden durar muchas horas para producir la fractura, el procedimiento usual es: •

Por cada grupo de una clase, probar una o dos de ellas, para después analizar los resultados por todos.

Para llevar a cabo cualquier experimento de fatiga: 1. Se deberá preparar un conjunto de probetas perfectamente uniformes. Una probeta normalizada (aunque se puede usar otros tipos de probetas). 2. Deberán fabricarse con cortes a lo largo de la barra del material que se va a estudiar. Además, al menos se deberá producir una probeta para tensión con el objeto de obtener el esfuerzo de cedencia o el esfuerzo correspondiente a la deformación del 0.2%. 3. Se usará un esfuerzo de flexión con un valor del 0.9 del esfuerzo correspondiente al límite de cedencia. 4. Se deberá anotar el acabado superficial de las probetas, por ejemplo: si está maquinada, si esta rectificada o está pulida. Si cuenta con equipo como rugosimetros mida y anote la rugosidad superficial en la dirección de los esfuerzos. 5. La puesta a punto de la máquina es muy sencilla si se hace metódicamente; el objetivo principal es alinear la probeta con el eje de rotación de la máquina y con ello eliminar los esfuerzos debido a una rotación excéntrica. 6. El centrado se puede hacer con una base magnética y un indicador sobre la sección A. El cabezal tiene seis tornillos de ajuste que se giran hasta que la probeta gira concéntricamente. 7. Una vez hecho esto coloque el indicador en el otro extremo de la probeta en la sección B y verifique la concentricidad; si es necesario hacer correcciones hágalo sobre los 3 tornillos de la parte posterior del cabezal. Ahora monte el brazo de carga sobre la probeta asegurándose que la probeta penetra hasta el fondo de este cabezal. Este ajuste asegura que el brazo de palanca está en la dimensión correcta. Coloque ahora la base magnética y el indicador en la sección C y ajuste los tornillos más alejados de la probeta para asegurar la concentricidad del rodamiento de carga. Este último ajuste es el más importante; una vez hecho esto guarde su indicador y su base magnética.

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8. Seleccione el, esfuerzo de flexión para la prueba y aplique el peso requerido en el gancho de cargas. Ajuste el contador de ciclos a cero y coloque la guarda de seguridad en el aparato. Oprima el botón de arranque y mantenga su dedo muy cerca del botón (le paro por si hay algún percance. 9. Al poner a funcionar el motor, anote la hora de arranque y haga una estimación de cuando ocurrirá la fractura (para esto considere una hora por cada 330,000 ciclos). Si el motor no arranca ajuste el microswich hacia abajo y vuelva a tratar. 10. Normalmente la prueba termina por si sola cuando se produce la fractura de la probeta, en este momento el microswich se abre y el motor eléctrico se para. A medida que la fractura se aproxima esta se flexiona más y esto podría ocasionar que el microswich se abra antes de ocurrir la fractura. En este caso mueva el microswich ligeramente hacia abajo y arranque nuevamente el motor.

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DATOS DE LA PRACTICA OBTENIDOS Probeta

Material

Numero de

Carga

Ensayo 1

Acero bajo contenido de

Ciclos para la Falla

1

500 g

125,000

2

250 g

320,000

3

125 g

487,000

4

1000 g

255,000

5

500 g

654,000

6

250 g

837,000

7

2000 g

487,000

8

1000 g

862,000

9

500 g

1,200,000

carbono AISI 1020 2

Acero bajo contenido de carbono AISI 1020

3

Acero bajo contenido de carbono AISI 1020

4

Acero bajo contenido de carbono AISI 1045 recocido dureza 40 HRC

5

Acero bajo contenido de carbono AISI 1045 recocido dureza 40 HRC

6

Acero medio contenido de carbono AISI 1045 recocido dureza 40 HRC

7

Acero medio contenido de carbono AISI 1045 templada dureza 51 HRC

8

Acero medio contenido de carbono AISI 1045 templada dureza 51 HRC

9

Acero medio contenido de carbono AISI 1045 templada dureza 51 HRC

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GRAFICA GRAFICA S-N 2500

ESFUERZO

2000 1500 1000 500 0 125

320

487

862

1200

255

NUMERO DE CICLOS AISI 1020

AISI 1045 RECOCIDO

654

837

X103 AISI 1045 TEMPLADO

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FORMULA Y OBTENCION DEL ESFUERZO DE FLEXION ESTATICO Diámetro de la probeta = 4mm = 0.004m La Carga indicada en gramos Brazo de palanca L = 140 mm = 0.14m (desde el empotramiento de la probeta hasta el punto de aplicación de la carga) El esfuerzo de flexión estático=

𝜎=

𝐿×𝑃 𝜋 × 𝐷3

Acero bajo contenido de carbono AISI 1020 ENSAYO 1 500g = 0.5kg (0.14𝑚) ((0.5𝑘𝑔) (9.81 𝜎=

𝑚 𝑠 ))

𝜋(0.004𝑚)3

= 3415365.607𝑃𝑎

ENSAYO 2 250g = 0.25kg (0.14𝑚) ((0.25𝑘𝑔) (9.81 𝜎=

𝜋(0.004𝑚)3

𝑚 𝑠 ))

= 1707682.803𝑃𝑎

12

ENSAYO 3 125g = 0.125kg (0.14𝑚) ((0.125𝑘𝑔) (9.81 𝜎=

𝑚 𝑠 ))

𝜋(0.004𝑚)3

= 853841.4017𝑃𝑎

Acero bajo contenido de carbono AISI 1045 recocido dureza 40 HRC ENSAYO 4 1000g = 1kg (0.14𝑚) ((1𝑘𝑔) (9.81 𝜎=

𝑚 𝑠 ))

𝜋(0.004𝑚)3

= 6830731.214𝑃𝑎

ENSAYO 5 500g = 0.5kg (0.14𝑚) ((0.5𝑘𝑔) (9.81 𝜎=

𝑚 𝑠 ))

𝜋(0.004𝑚)3

= 3415365.607𝑃𝑎

ENSAYO 6 250g = 0.25kg (0.14𝑚) ((0.25𝑘𝑔) (9.81 𝜎=

𝜋(0.004𝑚)3

𝑚 𝑠 ))

= 1707682.803𝑃𝑎

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Acero medio contenido de carbono AISI 1045 templada dureza 51 HRC ENSAYO 7 2000g = 2kg (0.14𝑚) ((2𝑘𝑔) (9.81 𝜎=

𝑚 𝑠 ))

𝜋(0.004𝑚)3

= 13661462.43𝑃𝑎

ENSAYO 8 1000g = 1kg (0.14𝑚) ((1𝑘𝑔) (9.81 𝜎=

𝑚 𝑠 ))

𝜋(0.004𝑚)3

= 6830731.214𝑃𝑎

ENSAYO 9 500g = 0.5kg (0.14𝑚) ((0.5𝑘𝑔) (9.81 𝜎=

𝜋(0.004𝑚)3

𝑚 𝑠 ))

= 3415365.607𝑃𝑎

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FOTOGRAFICA

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CONCLUSION En este ensayo de fatiga me di cuenta gracias a los videos y la información que encontré en internet que de preferencia se lo deben realizar en aceros de alta resistencia, para obtener resultados válidos requeridos por las normas, además de que se facilita el dimensionamiento de las probetas para este tipo de aceros. También me pude dar cuenta de que esta práctica es muy útil para ver la resistencia de materiales, por lo que con los videos me pude percatar de que es muy útil este ensayo para la vida de un ingeniero. También entendí que la fatiga es un proceso de degeneración de un material sometido a cargas cíclicas de valores por debajo de aquellos que serían capaces de provocar su rotura mediante tracción. Durante dicho proceso se genera una grieta que, si se dan las condiciones adecuadas crecerá hasta producir la rotura de la pieza al aplicar un número de ciclos suficientes. El número de ciclos necesarios dependerá de varios factores como la carga aplicada, presencia de entallas.

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BIBLIOGRAFÍA Hibbeler R, Mecánica de Materiales. Tercera Edición. Prentice-Hall Hispanoamericana SA. México D.F., 856 páginas Riley W, Mecánica de Materiales. Primera Edición. Limusa Wiley. México D. F. 708 paginas

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WEBGRAFIA http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4089/fichero/4.pdf https://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/6860/07CAPITULO.pdf?sequence=8&isAllow ed=y https://es.scribd.com/doc/86421351/Ensayo-de-fatiga

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