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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL COORDINACION GENERAL DE POSGRADO E NVESTIGACION

INFORME TECNICO FINAL DE PROYECTOS DE INVESTIGACION 2007-2008

Este formato presenta los aspectos necesarios para la elaboración del informe Técnico Final de los proyectos de investigación que se registraron en la Coordinación General de Posgrado e Investigación (CGPI) para su desarrollo durante el periodo febrero 2007 – enero 2008 y que tienen un avance del 100%.

La información que se solicita es la mínima necesaria para documentar y evaluar el avance de los proyectos de investigación, por lo que es indispensable que se requisite sin omisiones, agregando o anexando la información que se considere conveniente.

I.- IDENTIFICACIÓN DEL PROYECTO. ESCUELA CENTRO O UNIDAD: ESIME CULHUACAN CLAVE DEL PROYECTO: 20071318 TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE MÁQUINA UNIVERSAL HIDRÁULICA CON CAPACIDAD DE 20 TONELADAS CON OPCIÓN DE ENSAYO DE TERMOFLUENCIA PARA EL LABORATORIO DE QUÍMICA Y CIENCIA DE MATERIALES DE LA ESIME CULHUACAN. PROGRAMA EN DONDE SE UBICA EL PROYECTO: INGENIERIA Y TECNOLOGIA. 1.- PERIODO EN QUE SE REAIZO EL PROYECTO: del 01 02 07 al 31 01 08

II.- RESPONSABILIDAD TÉCNICA Y ADMINISTRATIVA.

Indicar nombre e incluir firmas autógrafas (en el ejemplar impreso) de los responsables técnicos y administrativos Vo.Bo. M. en C. MARIO PONCE FLORES ING. ERNESTO MERCADO ESCUTIA Director del Proyecto Director(a) de la escuela.

Teléfono del director(a) del proyecto:73086 Fecha de elaboración del informe: 17/12/07

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DESARROLLO TECNICO DE LA INVESTIGACIÓN.

RESUMEN. Los materiales que se utilizan en la industria moderna, deben de cumplir con ciertos parámetros que establecen organismos internacionales, dichos parámetros garantizan entre otras aspectos la calidad del producto que se trate, además de la seguridad de los consumidores. Las características que se deben de cubrir, se evaluan en el caso de los metales mediante pruebas de laboratorio, bajo ensayos establecidos y normalizados, cada uno de estos proporcionan propiedades como dureza, resistencia a la tensión, esfuerzo máximo, etc. dando parámetros que sirven para evaluar dicho material de acuerdo a los criterios establecidos para poder utilizarlos, modificar su composición o simplemente seleccionar algún otro en el caso que sea necesario. En el ensayo de termofluencia se determina el comportamiento de los materiales sujetos a esfuerzo a alta temperatura, las deformaciones que se presentan en el material durante la prueba sirven para determinar las características propias de tal manera que se pueda determinar si estos son capaces para de ser utilizados como componentes que trabajen a altas temperaturas. El proyecto de investigación desarrollado consiste en el Diseño y Construcción de un prototipo de máquina universal hidráulica con capacidad de 20 toneladas con opción de ensayo de Termofluencia para el laboratorio de Química y Ciencia de Materiales de la ESIME Culhuacan, la cual nos permitirán probar cualquier tipo de material (metales cerámicos, polímeros y materiales compuestos), cuya resistencia mecánica puede ser baja, media o alta, ampliando las posibilidades de su uso en distintas prácticas de los Programas de Estudios de las asignaturas de Diseño Selección y aplicación de Materiales, Tratamientos Térmicos y Ciencia de materiales II, beneficiando el proceso enseñanza-aprendizaje en los alumnos de la Carrera de Ingeniería Mecánica, formando profesionales altamente competitivos, capaces de diseñar y fabricar equipos con tecnología que impactará en la industria, vida académica y por consecuencia en el ámbito social y económico del país, Así mismo permitirá desarrollar investigación en la descripción del comportamiento mecánico de materiales metálicos a través de ensayos destructivos a altas temperaturas y en el área de investigación de materiales en E.S.I.M.E Culhuacan.

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Para realizar este proyecto se siguió una metodología de diseño mecánico, posteriormente se realizo el diseño a detalle desarrollando los cálculos y análisis de esfuerzos para efectuar los planos dimensionados generales y de cada una de las piezas así como la selección de los materiales adecuados para el prototipo, en este estudio se analizó el comportamiento térmico de un horno eléctrico el cual utiliza especimenes metálicos normalizados, los cuales son sometidos a temperaturas homologas, esto es, la relación de la temperatura del ensayo y el punto de fusión del material, para ello se plantea el diseño de un horno, basados en fundamentos teóricos de termodinámica, mecánica de materiales, ingeniería eléctrica,. Consecutivamente se realizo la construcción del equipo. La siguiente tabla muestra las partes del proyecto que se diseñaron y las que serán seleccionadas de las existentes, con esto se plasma la idea principal en la cual se basa la realización del proyecto. Tabla 1. Partes a Diseñar y a Seleccionar.

PARTES QUE SERÁN DISEÑADAS.

PARTE QUE SERÁN SELECCIONADAS.

1. Estructura. (cálculos de los Puntos críticos según diseño)

1. Unidad de potencia hidráulica. (Consta del tanque, bomba, filtros, válvulas, controles y conductos.)

2. Mordazas de sujeción.

2. Tornillos de todo tipo.

3. Tratamientos térmicos. (esto se hizo con algunos componente de la maquina)

3. Bridas

4. Configuración de las partes y controles hidráulicos

4. Celda de carga. (dispositivo que mide la carga aplicada a la probeta de ensaye)

5. Horno para Termofluencia.

5. Transductor de deformación.

PALABRAS CLAVE: Tensión, Termofluencia, Creep, Prensa Universal, Horno de termofluencia, Ensayos Destructivos.

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INTRODUCCION. Un material se selecciona, porque sus propiedades mecánicas satisfacen las condiciones de servicio requeridas para el componente. El primer paso en el proceso de selección requiere que se analice la aplicación, a fin de determinar las características más importantes que el material debe poseer. ¿Deberá ser resistente, rígido o dúctil?, ¿Estará sometido a la aplicación de una fuerza cíclica importante o a una fuerza súbita intensa; a un gran esfuerzo y temperatura elevada o a condiciones abrasivas? Una vez conocidas las propiedades requeridas, se puede seleccionar el material apropiado, utilizando la información incluida en los manuales. Se debe , sin embargo conocer como se determinan las propiedades incluidas en los manuales, lo que dichas propiedades significan tomando en cuenta que las propiedades listadas se han obtenido a partir de ensayos y pruebas ideales que pudieran no ser exactamente aplicables a casos o aplicaciones ingenieriles de la vida real. El comportamiento mecánico de los materiales se describe a través de sus propiedades mecánicas, que son resultados de ensayos simples e idealizados. Estos ensayos están diseñados para representar distintos tipos de condiciones de carga. Las propiedades de un material reportadas en diversos manuales, son los resultados de estas pruebas. En consecuencia, se debe recordar siempre que los valores de los manuales son valores promedio, obtenidos a partir de estos ensayos y deberán ser utilizados con cierta precaución. La máquina de ensayos universales tiene como función determinar la resistencia de diversos tipos de materiales. Para esto posee un sistema que aplica cargas controladas sobre una probeta (modelo de dimensiones preestablecidas) y mide en forma de gráfica la elongación, y la carga hasta el momento de su ruptura. La palabra ensayos significa que son pruebas, en el ámbito de laboratorio, para llegar a unas conclusiones. Se usan probetas a escala, que conservan las propiedades completas del material que deseamos probar. La connotación de universales significa que se puede probar casi cualquier tipo de material, y además, en diversos tipos de ensayo, como tensión, compresión, corte, etc. El ensayo de tensión describe la resistencia de un material a una fuerza aplicada lentamente. Entre las propiedades importantes están el esfuerzo de cedencia (esfuerzo al cual el material empieza a

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deformarse de manera permanente), la resistencia a la tensión (esfuerzo que corresponde a la máxima carga aplicada), el modulo de elasticidad (la pendiente de la porción elástica de la curva esfuerzo-deformación), y el porcentaje de elongación, así como el porcentaje de reducción de área (siendo ambos parámetros, medidas de la ductilidad del material). El ensayo de flexión se utiliza para determinar las propiedades a tensión de materiales frágiles, de ahí se puede obtener el modulo de elasticidad en flexión y la resistencia a la flexión (similar a la resistencia a la tensión). El ensayo de compresión es poco frecuente en los metales y consiste en aplicar a la probeta, en la dirección de su eje longitudinal, una carga estática que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuyo valor es incrementando hasta la rotura o suspensión del ensayo. El ensayo de termofluencia proporciona información sobre la capacidad de un material para soportar cargas a altas temperaturas. La rapidez de termofluencia y el tiempo de ruptura son propiedades importantes obtenidas a partir de estos ensayos. En este trabajo de investigación se estudiaron los conocimiento, elementos y técnicas necesarias para diseñar y construir una maquina universal de ensayos destructivos de materiales con la opción de ensayo de termofluencia, por eso mismo se analizaron los conceptos teóricos de los ensayos, las normas que los rigen y el diseño mecánico de la maquina, el horno para el ensayo de termofluencia es parte de otro desarrollo tecnológico que se elaboro en conjunto con este proyecto. Planteamiento del problema. La necesidad de estudiar materiales que trabajen durante largos periodos, a temperaturas muy elevadas es muy importante dentro de la ingeniería debido a las múltiples aplicaciones en el área de diseño y generación de energía, tales como turbinas de gas y de vapor, líneas de vapor a alta presión, motores de cohetes, fuentes de potencia nuclear a presión y equipo de procesos químicos que operan a temperaturas y presiones altas, tal como lo hacen los materiales que se encuentran en los motores de combustión interna, máquinas de vapor, etc.

Los requerimientos industriales generan la necesidad de crear materiales con mejores propiedades mecánicas.

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De ahí nuestro interés en construir una maquinaria que sea capaz de proporcionar información de las propiedades de distintos materiales en condiciones extremas de esfuerzo y temperatura. Con los resultados obtenidos podremos tabular esos datos para formar los apéndices correspondientes de nuestros materiales ensayados, para posteriormente utilizarlos como datos en el diseño de nuestros elementos mecánicos. Justificación. En la actualidad el perfil del ingeniero mecánico esta ligado al conocimiento de nuevos materiales requeridos en los sistemas modernos de producción, en el campo de la investigación y en el desarrollo de nuevos productos y variadas aplicaciones. Para enfrentar este reto y debido a la carencia de un equipo especializado que genere la información mínima necesaria para este tipo de aplicaciones, la presente propuesta de estudio pretende atender las necesidades planteadas para los alumnos de ingeniería mecánica en ESIME Culhuacan mediante el diseño y construcción de un equipo para ensayos de termofluencia, que cumpla con esta función y que permita al alumno tomar propias decisiones que lo lleven a emplear materiales de alto rendimiento, de forma segura y económica, para cada aplicación. Para éste fin tenemos el reto de fabricar un equipo que se pueda operar, implementar y mantener por nosotros mismos, y que a su vez proporcione a los profesores una herramienta en la mejora del proceso de enseñanza-aprendizaje aumentando la retención del conocimiento por parte de los alumnos que cursen la Ingeniería Mecánica, y específicamente como apoyo en las practicas de la materias de: • Ciencia de Materiales I y II (3º y 4º semestre) • Mecánica de Materiales I , II y III (4º, 5º y optativa de 8º semestre) • Diseño Mecánico I y II ( optativas de 8º y 9º semestre) • Tratamientos Térmicos ( Optativa de 8º sem) • Diseño Selección y Aplicación de Materiales (Optativa de 9º

semestre) y, • Proyectos de titulación y tesis.

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La intención de este tipo de investigación, es mostrar a los futuros profesionistas del área, que se pueden utilizar los ensayos destructivos como el de termofluencia, no solo como un requisito de calidad, sino también para implementar políticas de reducción y optimización de costos de producción y mantenimiento y asegurar la calidad de los productos en un mercado competitivo, además de la intención de impulsar al profesionista a desarrollar tecnología propia. Objetivos. • Diseño y construcción de una Prensa Hidráulica (prensa

universal). • Diseño y construcción de un sistema de sujeción para

especímenes ensayados mediante tensión (en función de la nueva capacidad de carga)

• Diseño y construcción de un sistema de sujeción para especímenes ensayados mediante compresión (en función de la nueva capacidad de carga)

• Instrumentación de la prensa universal mediante sensores de carga y elongación.

• Diseño y construcción de un dispositivo de calentamiento controlado (horno) para especímenes de prueba (tensión y compresión) sujetas a dimensiones preecritas en las Normas Mexicanas

Productos. El presente estudio se verá completado, cuando se finalice el proyecto de investigación dando como resultados y productos los siguientes:

1. Prototipo didáctico de una máquina de ensayos destructivos: Prensa Universal (hidráulica).

2. Aditamentos para el ensayo de tensión en la prensa universal (mordazas)

3. Aditamentos para el ensayo de compresión en la prensa universal (soportes)

4. Aditamentos para el ensayo de termofluencia que no afecten a los materiales de la estructura de la prensa universal (horno)

Satisfechos los objetivo y alcances de éste proyecto, se da por terminado al 100%, dejando claramente establecido que el proyecto tiene la capacidad de llegar a ser totalmente automático, aunque en este punto la automatización se deja abierta para futuros proyectos.

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Marco de referencia Los materiales utilizados en ingeniería se seleccionan de acuerdo a sus propiedades mecánicas requeridas para su uso, lo cual se debe analizar primero, a fin de determinar las características más importantes que el material debe poseer. Una vez conocidas las propiedades requeridas, se puede seleccionar el material apropiado con ayuda de los datos técnicos contenidos en los manuales. Las especificaciones son el resultado de pruebas o ensayos de materiales agrupados de la siguiente manera:

Ensayos destructivos. Ensayos no destructivos.

El objeto principal de las pruebas destructivas es determinar cuantitativamente el valor de ciertas propiedades mecánicas tales como resistencia mecánica, tenacidad o dureza. Las propiedades mecánicas se clasifican en dos grupos de acuerdo al tipo de carga aplicada:

• Resistencia a cargas estáticas: miden la aptitud de los materiales para resistir cargas estáticas o cargas aplicadas a baja velocidad. Son dureza y resistencia.

• Resistencia a cargas dinámicas: tienen que ver con la deformabilidad del material y miden la capacidad para resistir cargas dinámicas sin llegar a romperse ni a deformarse. Son tenacidad y ductilidad.

Ensayos destructivos

La determinación de las propiedades mecánicas de los materiales a partir de ensayos destructivos, están diseñadas para representar diferentes tipos de condiciones de carga, por ejemplo:

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La ejecución de las pruebas destructivas involucra el daño del material, la destrucción de la probeta o la pieza empleada en la determinación correspondiente, por lo que podemos concluir que los ensayos destructivos son la aplicación de métodos físicos directos que alteran de forma permanente las propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales de un material, parte o componente sujeto a inspección.

Ensayos no destructivos Las pruebas no destructivas son la aplicación de métodos físicos indirectos, como es la transmisión del sonido, la opacidad al paso de la radiación, etc., y que tienen la finalidad de verificar la sanidad de las piezas examinadas. Se busca su homogeneidad y continuidad. Las pruebas no destructivas como su nombre lo indica, no alteran de forma permanente las propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales de un material. Por ello, no inutilizan las piezas que son sometidas a los ensayos y tampoco afectan de forma permanente las propiedades de los materiales que las componen.

− Tracción. El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción, en donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la Figura 1.

Figura 1 Máquina de Ensayo de Tracción

La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga aplicada, las

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máquinas poseen un plotter que grafica en un eje el desplazamiento y en el otro eje la carga leída. La Figura 2 muestra el gráfico obtenido en una máquina de ensayo de tracción para un acero.

Figura 2 Curva Fuerza-Deformación de un Acero.

Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se comporta como un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial. Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple:

F = K (L - L0) F: fuerza K: cte del resorte L: longitud bajo carga L0: longitud inicial Cuando la curva se desvía de la línea inclinada inicial (zona elástica), el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría de mayor longitud que al principio. Deja de ser válida nuestra fórmula F = K (L - L0) y se define que ha comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia (yield point) y la fuerza que lo produjo la designamos como: F = Fyp (yield point) Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo en F = Fmáx. Entre F = Fyp y F = Fmáx la probeta se alarga en forma permanente y repartida, a lo largo de toda su longitud. En F = Fmáx la probeta muestra su punto débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello. La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando la ruptura. La figura 3 muestra la forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la ruptura.

Figura 3

Para expresar la resistencia en términos independientes del tamaño de la probeta, se dividen las cargas por la sección transversal inicial Ao, obteniéndose:

La figura 4 ilustra una probeta al inicio del ensayo indicando las medidas iníciales necesarias.

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Figura 4

Analizando las probetas después de la ruptura, es posible medir dos parámetros: El alargamiento final Lf (Figura 5) y el diámetro final Df, que nos dará el área final Af.

Figura 5

Estos parámetros se expresan como porcentaje de reducción de área %RA y porcentaje de alargamiento entre marcas %∆ L:

Ambos parámetros son las medidas normalizadas que definen la ductilidad del material, que es la capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. La fragilidad se define como la negación de la ductilidad. Un material poco dúctil es frágil. La Figura 6 permite visualizar estos dos conceptos gráficamente.

Figura 6

El área bajo la curva fuerza - desplazamiento (F versus ∆L) representa la energía disipada durante el ensayo, es decir la cantidad de energía que la probeta alcanzó a resistir. A mayor energía, el material es más tenaz. A partir de los valores obtenidos en el gráfico Fuerza-Desplazamiento, se puede obtener la curva Esfuerzo-Deformación � -� . El esfuerzo �, que tiene unidades de fuerza dividida por área, ha sido definido anteriormente, la deformación unidimensional:

En la Figura 7 se presenta un ejemplo del gráfico Esfuerzo-Deformación de un acero.

Compresión. El ensayo de compresión es poco frecuente en los metales y consiste en aplicar a la probeta, en la dirección de su eje longitudinal, una carga estática que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuyo valor es incrementando hasta la rotura o suspensión del ensayo.

Figura 8

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Probetas para compresión de metales. En los ensayos de compresión la forma de la probeta tiene gran influencia, por lo que todos ellos son de dimensiones normalizadas. El rozamiento con los platos de la maquina hace aparecer, como dijimos, un estado de tensión compuesta que aumenta la resistencia del material, la influencia de estas tensiones va disminuyendo hacia la sección media de la probeta, razón por la cual se obtiene mejores condiciones de compresión simple cuando esto se presenta con forma prismáticas o cilíndricas de mayores alturas, las que se limitan, para evitar el efecto del flexionamiento lateral debido al pandeo. Los siguientes diagramas son los correspondientes a los ensayos de compresión realizados en un acero SAE 1015 y el SAE 1045.

Figura 9 Ensayos de compresión en aceros. Flexión. Si las fuerzas actúan sobre una pieza de material de tal manera que tiendan a inducir esfuerzos compresivos sobre una parte de una sección transversal de la pieza y los esfuerzos tensivos sobre la parte restante, se dice que la pieza esta en flexión. La ilustración común de la acción flexionante es una viga afectada por cargas transversales; la flexión puede también causarse por momentos pares tales como, por ejemplo, los que pueden resultar de cargas excéntricas paralelas al eje longitudinal de una pieza. En las estructuras y máquinas en servicio, la flexión puede ir acompañada del esfuerzo directo, el corte transversal, o el corte por torsión. Por conveniencia, sin embargo, los esfuerzos flexionantes pueden considerarse separadamente y en los ensayos para determinar el comportamiento de los materiales en flexión, la atención usualmente se limita a las vigas.

Figura 10 El efecto flexionante en cualquier sección se expresa como “momento flexionante” M el cual es la suma de los momentos de todas las fuerzas que actúan hacia la izquierda de la sección. Los esfuerzos inducidos por

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un momento flexionante pueden denominarse esfuerzos flexionantes. Para que exista equilibrio, la resultante de las fuerzas tensivas T debe siempre ser igual a la resultante de las fuerzas comprensivas C. Las resultantes de los esfuerzos flexionantes en cualquier sección forman un par que es igual en magnitud al momento flexionante. Cuando no actúan ningunos otros esfuerzos que los flexionantes se dice que existe una condición de flexión pura. En una sección transversal de la viga, la línea a lo largo de la cual los esfuerzos flexionantes son cero es llamada el eje neutro.

Figura 11

Sumando los momentos de los esfuerzos alrededor del eje neutro, el momento de resistencia, dentro del límite proporcional, puede encontrarse en términos del esfuerzo sobre la fibra extrema. M= σ I/C “la formula de flexión” Donde σ = esfuerzo sobre la fibra extrema c = distancia del eje neutro de la fibra extrema I = momento de inercia de la sección alrededor del eje neutro (I para una sección rectangular es bd3/12: para una sección circular πd4/64; en que b = ancho y d = peralte o diámetro). Falla por flexión. La falla puede ocurrir en las vigas debido a una de varias causas, de las cuales se ofrece una lista a continuación. Aunque estos modos de falla se exponen primariamente con referencia a las vigas de material dúctil, en sus aspectos generales son aplicables a cualquier material. 1. La viga puede fallar por cedencia de las fibras extremas. Cuando el punto de cedencia es alcanzado en las fibras extremas, la deflexión de la viga aumenta mas rápidamente con respecto a un incremento de carga; y si la viga tiene sección gruesa y fuerte o esta firmemente empotrada de tal modo que no pueda torcerse o flambearse, la falla se verifica con un pandeo gradual que finalmente se torna tan grande que la utilidad de la viga como miembro sustentante queda destruida. 2. En una viga de largo claro, las fibras en compresión actúan de manera similar a aquellas en compresión de una columna, y la falla puede tener lugar por flambeo. El flambeo, el cual generalmente ocurre en dirección lateral, puede deberse ya sea a la causa primaria o secundaria de la falla. 3. La falla de los miembros de alma delgada, como una vigueta, puede ocurrir debido a los esfuerzos cortantes excesivos en el alma o por el

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flambeo del alma bajo los esfuerzos compresivos diagonales que siempre acompañan a los esfuerzos cortantes. 4. En aquellas partes de vigas adyacentes a los lados de apoyo que transmiten las cargas concentradas o las reacciones a las vigas, pueden establecerse esfuerzos compresivos altos, y en las vigas i o canales el esfuerzo local en aquella parte del alma mas cercana a un dado de apoyo puede tomarse excesivo. Si este esfuerzo local excede la resistencia contra el punto de cedencia del material en la unión del alma y el patín, la viga puede fallar primariamente debido a la cedencia de la parte sobre fatigada. La falla de las vigas de material quebradizo como el hierro fundido y el concreto simple siempre ocurre por ruptura súbita. La falla de las vigas de concreto armado puede ser el resultado de (1) la así llamada falla del acero debido a los esfuerzos sobre el punto de cedencia resultante en grietas verticales sobre el lado tensado de la viga; (2) la falla del concreto en compresión en las fibras en compresión mas alejadas, y (3) la falla del concreto por la tensión diagonal primariamente debida a los esfuerzos cortantes excesivos, que resultan en la formación de grietas que descienden diagonalmente hacia las reacciones, tornándose frecuentemente horizontales justamente arriba del armado principal en las vigas de claro simple. Probetas para ensayos de flexión. Para determinar el modulo de ruptura para un material dado, la viga bajo ensayo debe proporcionarse de tal manera que no falle por corte o deflexión lateral antes de alcanzar su ultima resistencia a la flexión. Para producir una falla por flexión, la probeta no debe ser demasiada corta con respecto al peralte de la viga, e inversamente, si se desea la falla por esfuerzo cortante, el claro no debe ser demasiado largo. Los valores de L = 6d a L = 12d (dependiendo el valor real del material, de la forma de la viga y del tipo de cargado) en que L = largo y d = peralte sirven como línea delimitante aproximada entre las vigas cortas de mucho peralte que fallan en las fibras extremas. Las probetas de hierro fundido son barras cilíndricas, vaciadas por separado, pero en moldes de arena de las mismas condiciones y tomados del mismo crisol que los vaciados que representan. En la siguiente tabla se dan tres tamaños comunes de barras de ensayo. Ellas son subrayadas como vigas simples bajo carga central con claros que dependen del tamaño de la barra, también como las mostradas en la siguiente tabla.

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Tabla 2. Dimensiones nominales para probetas de hierro fundido, para ensayos de flexión.

Las vigas de ensayo normales de piezas pequeñas y limpias de madera son de 2 x 2 x 30 pulgadas de tamaño y se ensayan sobre un claro de 28 pulgadas bajo carga central (ASTM D-143). La madera en tamaños estructurales frecuentemente se ensaya bajo carga en los tercios de un claro de 15 pies (ASTM D- 198); los tamaños comunes de las vigas de madera grandes de ensayo son de 16 pies de largo con secciones transversales nominales de 6 x 12 pulgadas u 8 x 16 pulgadas. Termofluencia. Las pruebas que se han descrito hasta ahora por lo regular se emplean a temperaturas normales, sin embargo dichas pruebas se realizan a temperaturas muy elevadas, por lo que las técnicas son muy similares a las que se han descrito, no obstante para la prueba de termofluencia, es proporcionado un horno para calentar los especímenes antes o durante la prueba. Las variaciones a temperaturas altas de pruebas como tensión, dureza e impacto, pueden considerarse como pruebas de corto tiempo sin embargo deben mencionarse algunas consideraciones especiales con respecto a las pruebas a temperaturas muy elevadas. Entre estas se cuentan los efectos de la velocidad de calentamiento y el tiempo de la temperatura de la pieza de prueba antes y durante la prueba. Ya que las estructuras y propiedades de los materiales metálicos pueden alterarse en forma significativa por las temperaturas altas.

Fig. 12

Uno de los métodos más comunes de este tipo de estudio, es la termofluencia, que consiste en la deformación progresiva de un material bajo condiciones de alta temperatura, y bajo esfuerzo constante, normalmente temperaturas homólogas de 0.5 o mayor, y esfuerzo menor al esfuerzo de cedencia del material, en pocas palabras es el estiramiento dependiente del tiempo, que en ocasiones sigue al estiramiento instantáneo que se produce al someter algún

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material a un esfuerzo. Se sabe que es un fenómeno complicado, que probablemente incluye diversos mecanismos de flujo distintos. Ya que la termofluencia puede ser peligrosa, a menudo constituye un factor clave al elegir materiales, especialmente a temperaturas elevadas. Supóngase por ejemplo que se producen pequeñas deformaciones en los materiales de revestimiento de elementos combustibles nucleares; como consecuencia, el revestimiento se rompe y la radioactividad aumenta en el sistema de enfriamiento que rodea a los elementos combustibles. O supóngase también la termofluencia en los alabes de la turbina del motor de un avión de propulsión a chorro; los alabes rotatorios comienzan a pegar contra las paredes de la turbina, se doblan y finalmente se fracturan. El comportamiento plástico de los materiales a elevadas temperaturas, depende de la duración del período de prueba. La esperanza de vida de las piezas de maquinaria suele ser alta, sin embargo, no es posible llevar a cabo un ensayo por muchos años para determinar el comportamiento de cada material utilizado en la construcción actual. Más bien es necesario extrapolar éste comportamiento basándose en ensayos de menor duración haciendo uso de datos obtenidos en pruebas adecuadas. Las condiciones de temperatura, tiempo, y esfuerzo bajo las cuales ocurre la termofluencia, dependen de las propiedades mecánicas del material y de su microestructura. La exposición de un material a temperaturas elevadas tiene varios efectos, los cuales en conjunto son responsables o influyen en la termofluencia. Los principales efectos de la exposición de los metales a temperaturas elevadas son:

1. Disminución del esfuerzo de cedencia y la resistencia a la tensión.

2. Aumento de la movilidad de dislocaciones. 3. Recuperación y recristalización. 4. Incremento en la rapidez de los procesos difusivos. 5. Disolución y precipitación de fases. 6. Crecimiento de grano y formación de subgranos. 7. Fusión incipiente.

Los procesos del 2 al 7, son térmicamente activados, por lo que siempre acompañan a la deformación a temperatura elevada. Para que la termofluencia ocurra en una magnitud apreciable, se ha encontrado, como regla, que la temperatura de trabajo debe ser mayor de 0.4 veces la temperatura absoluta de fusión del material. Este valor es llamado Temperatura Homóloga y se representa por θ. La curva de termofluencia.

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Es la curva idealizada donde se produce una rápida e instantánea elongación de la muestra, en esta se presentan tres etapas una primaria, una secundaria y una terciaria. Durante la prueba, la deformación es registrada continuamente en función del tiempo y la prueba culmina con la ruptura del espécimen con la ruptura del espécimen.

1. Termofluencia primaria: También llamada termofluencia transitoria y ocurre debido a una transformación de la microestructura y al reacomodo de la subestructura de dislocaciones y vacancias iníciales en el material. Inicialmente la velocidad de deformación es alta y una vez que la microestructura y los defectos han alcanzado un equilibrio de estado de equilibrio dinámico, la velocidad de deformación disminuye a un valor estable.

2. Termofluencia secundaria: El equilibrio alcanzado entre los mecanismos de generación de dislocaciones y vacancias los mecanismos de aniquilación de dislocaciones, lleva a una velocidad de deformación constante.

3. Termofluencia terciaria: Los cambios en la microestructura

promueven una mayor deformación con un menor endurecimiento por deformación. Este proceso por lo general se localiza en una sección de la pieza, provocando la formación de una constricción o cuello. En está ocurre también un daño severo en los limites de grano. Este daño consiste en la deformación de cavidades que al crecer e interconectarse provocan la fractura ínter granular del material.

Probetas. La elaboración de probetas, se lleva a cabo de acuerdo a las normas, sin embargo en la investigación con respecto a l tema de termofluencia, ha sido muy difícil (por no decir imposible) encontrar las normas para el ensayo de termofluencia, por lo que utilizaremos las normas para tensión, a lo cual las dimensiones de la probeta se especificaran a continuación.

Fig. 13 Probetas de termofluencia.

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La longitud de la probeta será de 150 mm, donde los primeros 50 mm serán de un diámetro de 6 mm, los próximos 50 mm con un diámetro de 5 mm y finalmente los últimos 50 mm serán nuevamente de un diámetro de 6 mm.

Desarrollo experimental. Al momento de empezar con la prueba de termofluencia, lo primero que debemos hacer es estar seguros que todo el equipo está en óptimas condiciones para que la prueba resulte satisfactoriamente, posteriormente procederemos a revisar las guías de la prensa, para verificar que todo este en orden. Verificaremos que las mordazas sean las adecuadas ya que en la elaboración de esta prueba de termofluencia, tenemos dos tipos de pruebas, ya que podemos determinar tensión y compresión, por lo que debemos revisar las mordazas para tensión y las platinas para compresión para posteriormente seleccionar la adecuada según el ensayo que queramos realizar.

Para colocar la muestra usaremos la mordaza que nos convenga para la prueba y procederemos a sujetarla por medio de los tornillos de anclaje que sujetan al espárrago y a la base de la prensa. La muestra será colocada de tal manera que los extremos de ésta queden dentro de las mordazas, tomando en cuenta que debe quedar bien sujeta dentro de las mordazas, pues podría zafarse y la prueba ya no seria satisfactoria, además teniendo en cuenta que la muestra no sea sometida a compresión pues podría doblarse, para colocarla adecuadamente, primeramente se sujeta por la parte superior y se asegura a la mordaza que ya está previamente sujeta al espárrago para posteriormente ser sujetada por la parte inferior a la mordaza que se encuentra en la base y nuevamente se sujetara a esta.

Ya que todo ha sido cuidadosamente revisado, procederemos a revisar la conexión del horno para que posteriormente sea encendido y se comience la realización de la prueba de termofluencia.

Una vez que se ha encendido el horno, sin aplicar carga alguna, esperaremos un tiempo determinado, con la finalidad de que la muestra alcance la temperatura deseada, posteriormente la dejaremos un tiempo determinado con el objetivo de que la muestra llegue hasta su homogenización y no se presente mayor expansión térmica del sistema.

Al momento de realizar las pruebas, tomaremos los datos del número de prueba, el diámetro de la muestra, la carga aplicada, el esfuerzo y la temperatura.

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Ejemplo de toma de datos a una prueba realizada a un material de cobre comercial.

Tabla 3.

Nota: Para encontrar el esfuerzo a esa temperatura se multiplica por el factor de termofluencia que para este caso de 450ºC considerando tiempo t=1min, 25ºC temp. ambiente, ∆T= 425ºC y � =17 x 10-6/ºC (coeficiente de dilatación térmica) es; C= 1.019. Nota: Como podemos observar el coeficiente de termofluencia es muy pequeño casi llegando a la unidad, esto se debe al corto tiempo en que la probeta ha estado a alta temperatura. Mecanismos de deformación en termofluencia Los mecanismos de deformación en termofluencia, dependen de forma principal de la temperatura, ya que a temperaturas relativamente bajas, predominan los mecanismos de deslizamiento y maclaje, pero a temperaturas mayores, predominan los mecanismos basados en la difusión y el deslizamiento de límites de grano. Los procesos involucrados en la falla por termofluencia son:

1. Deslizamiento de límites de grano. 2. Cavitación de límites de grano. 3. Formación de subgranos. 4. Flujo difusivo

a) Termofluencia por dislocaciones. En la actualidad se reconoce perfectamente que las dislocaciones son creadas en un metal durante el proceso de deformación plástica. Cuando una dislocación se mueve dentro de un cristal, debe vencer al menos la resistencia de la red y además pasar los obstáculos que encuentre en su camino, tales obstáculos frenan o anclan las dislocaciones impidiendo su avance; sin embargo, a alta temperatura, la activación térmica ayuda a pasar los obstáculos, mediante un proceso de ascenso de dislocaciones.

Fig. 14

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b) Termofluencia por flujo difusivo. Este mecanismo involucra la deformación de los granos por el flujo masivo de vacancias en el interior de los granos, desde las zonas sujetas a compresión hacia las zonas sometidas a tensión; de forma simultánea, los átomos fluyen en dirección contraria, produciendo un alargamiento en la pieza, como se muestra en la siguiente figura.

Fig. 15

Cizallamiento de límite de grano. Se sabe bien que los granos metálicos en materiales policristalinos son capaces de moverse en relación de unos, con otros bajo condiciones ideales, esta forma es deformación puede ser confinada a una región muy angosta adyacente a los límites de grano, por lo que parecería que el flujo ocurre realmente a lo largo de la superficie del límite. La dirección de cizallamiento es la que queda en el límite con máximos esfuerzos cizallantes resueltos. Además se ha encontrado que el cizallamiento de los granos en los límites que se encuentran en los metales policristalinos es discontinuo; esto es, el flujo no es suave y continuo bajo carga, sino espasmódico e irregular, y ocurre a diferentes grados en puntos diferentes a lo largo de un límite, y en cantidades variables en un punto dado con respecto al tiempo. Los límites así producidos detienen su movimiento, y después pueden moverse de nuevo con frecuencia, sin embargo, la deformación ocurre en una región que se extiende una distancia finita dentro de uno de los granos contiguos al límite. En general, ese efecto se hace mayor a temperaturas de ensayo más elevadas.

Fig. 16

Fractura intercristalina. A temperaturas bajas (por debajo de la mitad del punto de fusión absoluto), los metales fallan de costumbre por fracturas que pasan a través del interior de los granos, esto es, por fracturas transcristalinas. Las fracturas intercristalinas a estas temperaturas, por tanto, son la excepción y usualmente están asociadas con alguna irregularidad estructural, por ejemplo, la presencia de una película intercristalina frágil o alguna forma de corrosión que debilite a los límites de grano.

Fig. 17

Aleaciones resistentes a la termofluencia.

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Los metales comerciales de más éxito a temperaturas elevadas, son aleaciones complicadas, pues se ha encontrado que, como regla, las aleaciones tienen mejores propiedades generales para utilizarse a temperaturas elevadas que las de los metales puros. El problema de desarrollar aleaciones resistentes a la termofluencia, es básicamente doble, pues deberá incrementarse la resistencia al flujo tanto de los granos como de los límites de grano, mientras que deberán reducirse los efectos de recuperación y de ablandamiento. En la zona de temperaturas donde se utilizan la mayoría de las aleaciones comerciales, puede considerarse que la deformación plástica es controlada por el movimiento de dislocaciones en el interior de los granos. La mayoría de los métodos bien conocidos de endurecimiento de los cristales son, por lo tanto, aplicables a las aleaciones resistentes a la termofluencia. Estos incluyen al endurecimiento por solución sólida, el endurecimiento por precipitación, y el endurecimiento por trabajo en frío. Súperplasticidad. Bajo ciertas condiciones, un metal puede exhibir un efecto llamado superplasticidad. Cuando esto ocurre, el alargamiento en un ensayo a la tracción simple, se vuelve extraordinariamente grande y puede ser del orden de un 1 000%. Casi toda esta deformación ocurre durante la etapa de estrechamiento o estricción, de manera que la superplasticidad es primordialmente un fenómeno de estricción. Sin embargo, hay un punto importante que se debe observar. En un ensayo a la tracción normal, la estricción tiende a ser muy localizada, como se indica en la siguiente figura.

Fig. 18

Pero cuando el metal se deforma por superplasticidad, la estricción se extiende sobre toda la sección calibrada, como se muestra de manera más esquemática en la siguiente figura.

Fig. 19

La condición primordial para que se forme una estricción extendida o difusa es que el esfuerzo de fluencia se vuelva fuertemente dependiente de la velocidad de deformación. La razón para esto, no es difícil de entender. Cuando se forma una estricción aguda, se puede suponer toda la deformación concentrada en el estrechamiento. Todas las secciones transversales de la probeta, sobre y por debajo de la estricción, cesan efectivamente de deformarse. En una estricción

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alargada, por otra parte, todas las secciones transversales de la parte calibrada, se deforman durante el estrechamiento. Utilización de los datos de termofluencia. Dos de los métodos que se usan para presentar los resultados de una serie de ensayos de termofluencia, se muestran a continuación. La curva esfuerzo-ruptura que se ve del lado izquierdo, permite determinar la vida esperada de un componente para una combinación particular de esfuerzo y temperatura. Mientras que el parámetro de Larson-Miller, ilustrado en la figura, del lado derecho, se utiliza para presentar la relación esfuerzo-temperatura-tiempo de ruptura en una sola gráfica.

Fig. 20

Ensayos normalizados. La secretaria de comercio y fomento industrial, a partir de la dirección general de normas publica la norma mexicana con clave NMX-B-310-1981 la cual establece los métodos de prueba a la tensión para productos de acero. Esta norma es la que se debe seguir para realizar una prueba de tensión a materiales de acero, y que esta arroje valores validos para ser considerados como valores aceptables de diseño. Veamos los puntos importantes a considerar en la prueba. METODOS DE PRUEBA A LA TENSION PARA PRODUCTOS DE ACERO TENSION TESTING OF STEEL PRODUCTS

1. OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACIÓN

Esta Norma Mexicana establece las especificaciones y los métodos todos para la prueba de tensión a la temperatura ambiente, en productos de acero, para determinar una o más de las siguientes características: a) Límite de fluencia b) Resistencia a la tensión c) Alargamiento d) Reducción de área

2. DEFINICIONES

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2.1 Alargamiento Es el aumento en la longitud calibrada en una probeta después de la prueba de tensión, que comúnmente se expresa en porcentaje de la longitud calibrada inicial. 2.2 Límite elástico Es el mayor esfuerzo que un material es capaz de soportar sin presentar una deformación permanente, después de que se ha eliminado totalmente el esfuerzo aplicado. 2.3 Límite de fluencia Es el primer esfuerzo detectable, en el que ocurre un aumento en la deformación, sin que se acuse un aumento en el esfuerzo, 2.4 Longitud calibrada Es la longitud inicial de la parte de una probeta sobre la que se determina la deformación unitaria o el cambio de longitud y el alargamiento. 2.5 Reducción de área Es la diferencia entre la sección transversal inicial de una probeta de tensión y el área de su sección transversal mínima después de la prueba. La reducción de área se expresa usualmente como un porcentaje de la sección transversal inicial de la probeta. 2.6 Resistencia a la tensión Es el máximo esfuerzo de tensión que un material es capaz de soportar, se determina con la carga máxima en una prueba de tensión llevada hasta la ruptura y con el área de la sección transversal original de la probeta. Se expresa en Newtons (Kgf/mm2). 2.7 Resistencia de fluencia Es el esfuerzo al cual un material exhibe unos límites especificados de desviación de la proporcionalidad del esfuerzo a la deformación. La desviación se expresa en términos de deformación, usualmente. La resistencia de fluencia se puede determinar por: a) El método de la deformación permanente especificada (offset) generalmente se considera una deformación unitaria de 0.2% b) E1 método de alargamiento total bajo carga. Usualmente se especifica una deformación unitaria de 0.5%. 2.8 Muestra. Es la parte del material tomada de un producto, en cantidad suficiente para obtener una o varias probetas. En determinados casos, la muestra puede ser el mismo producto. 2.9 Probeta. Es la parte de la muestra, maquinada o no, con las dimensiones y características adecuadas para someterla a una prueba determinada. En ciertos casos, la probeta puede estar constituida por la misma muestra. 3. FUNDAMENTO DEL METODO

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La prueba de tensión consiste en someter una probeta de acero, maquinada o de sección completa, a un esfuerzo de tensión creciente, aplicado axialmente, hasta causarle la ruptura. 4. APARATOS Y OPERACIONES DE PRUEBA 4.1 Aparatos y equipo Máquina para pruebas de tensión con graficador, extensómetro e instrumentos, de medición apropiados. (Micrómetros, calibradores, verniers, compás y otros) . 4 .2 Operaciones de prueba Exactitud de la máquina de prueba y del equipo Algunas máquinas están equipadas con registradores autográficos a carga - deformación. Algunos registradores tienen un dispositivo medidor de carga, independiente del indicador de la máquina de prueba; en tales casos el registrador se calibra por separado. El error en el extensómetro no debe ser superior al 5% del valor de alargamiento que define la carga unitaria a medir. Las cargas deben medirse sin interpolación en las graduaciones de la carátula de la máquina, con una precisión de 1%.

5. SUJECION DE LAS PROBETAS

5.2 Con objeto de asegurar que el esfuerzo de tensión sea axial dentro de la longitud calibrada, el eje de la probeta debe coincidir con el eje de los cabezales de la máquina. Esta condición es particularmente importante cuando se prueban materiales frágiles ó para determinar correctamente la resistencia de fluencia. La sujeción de la probeta queda restringida a la sección fuera de la longitud calibrada. 5.3 En el caso de algunos materiales, probados en sección completa, es inevitable una aplicación no axial de la carga, en cuyos casos debe aceptarse. 7. MUESTRAS

Probetas de sección rectangular.

Probetas de sección cilíndrica.

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Estos son algunos de los puntos clave para un ensayo de tensión exitoso y que arroje resultados certeros, para puntos más especiales como son probetas de barras laminadas en caliente y en frio, selección de la probeta correcta para el ensayo correcto, pruebas múltiples de tensión, análisis de la zona reducida de la probeta, probetas de tubos de diámetro grande, probetas de hierro maleable y piezas obtenidas de fundición a presión, sírvase a revisar los siguientes puntos de la norma mexicana antes mencionada para pruebas de tensión a productos de acero. Como ultimo punto del análisis de esta norma presentaremos la figura de la sujeción por medio de mordazas que recomienda la norma además incluimos el mecanismo que se necesita para ensayar alambres de todo tipo y calibre, con esto completamos una prueba universal de tensión.

Aplicaciones del proyecto. El siguiente ejemplo, muestra la aplicación más directa que tiene nuestro proyecto, y que va relacionada como ya se menciono antes, con los puntos de resistencia de los materiales, y que en todo diseño mecánico es un parámetro de vital importancia. Recordemos el Principio Fundamental del diseño, el cual nos dice: Se deben calcular los esfuerzos a los que están sometido un elemento mecánico, para después compararse con las resistencias de los diferentes materiales, (la resistencia de un material es el esfuerzo máximo que puede soportar), para poder seleccionar el material correcto, de manera que sea el más confiable, económico y seguro. El esfuerzo aplicado nunca debe superar la resistencia del Material del que va ser fabricado. Estas resistencias de las que nos habla el principio fundamental del diseño, son encontradas experimentalmente con la ayuda de maquinas para ensayos destructivos de materiales tales como la que diseñamos y fabricamos en este proyecto.

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Ahora, se necesita diseñar una cadena de hierro colado dúctil que funcione en un horno para coccionar ladrillos de cerámica. La cadena debe trabajar sin romperse durante 5 años a 600º C, con una carga aplicada de 5 000 lbs. Aplicando una prueba de termofluencia a una probeta de hierro dúctil, utilizando una maquina especial de ensayos de termofluencia como la que se diseña en este proyecto, podemos obtener las graficas las cuales nos permitirán saber la duración de un componente en este caso el hierro dúctil, para determinada combinación de esfuerzo y temperatura. Y con esto poder consolidar la relación entre esfuerzo, temperatura y tiempo de ruptura en una sola curva, la cual nos ilustra el parámetro Larson-Miller, las graficas que se muestran a continuación son los resultados de una serie de ensayos de termofluencia para probetas de hierro colado dúctil.

Como observamos en la grafica, el parámetro Larson-Miller para el hierro colado dúctil es:

Donde: T= temperatura en Kelvin t= tiempo de ruptura (horas) La cadena debe durar 5 años lo que equivale ha: t= (24 h/d)(365d/a)(5 a) = 43 800 horas

= 38.7

De acuerdo con la figura b de las graficas anteriores, el esfuerzo no debe ser mayor a 2000 psi, Supongamos un factor de seguridad de 2, por tanto significa que el esfuerzo aplicado no debe ser mayor de 1000 psi. Ahora encontramos el área de sección transversal del eslabón necesaria para soportar 5000lbs:

por tanto el área transversal de cada mitad del

eslabón será 2.5 in2. Como lo muestra la figura, el eslabón será circular por tanto:

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Otras aplicaciones son las que se realizan con programas sofisticados de diseño, en el cual se diseña la pieza que estará sometida a esfuerzos y por medio de una modelación paramétrica se encuentran los puntos críticos de la pieza y se selecciona el material adecuado para su fabricación.

Análisis de Esfuerzos en un Pistón de auto por medio de modelación paramétrica con ANSYS.

Análisis de Esfuerzos en un rodete de turbina por medio de modelación paramétrica con ANSYS.

MÉTODOS Y MATERIALES La experimentación es una parte esencial en el diseño y construcción de maquinaria ya que se pone a prueba las capacidades de ésta para conocer sus limitaciones y de esa forma obtener un funcionamiento optimo. Para realizar este proyecto se realizaron estudios antecedentes seguidos de una metodología de diseño mecánico para una prensa hidráulica instrumentada con aditamentos de medición de elongación y carga, sus aditamentos (Tipo de Mordazas y herramentales), así como de un Horno eléctrico especializado para realizar los ensayos a alta temperatura y sus acoplamientos con controladores los cuales fueron seleccionados existentes en el mercado, posteriormente se realizo el diseño a detalle desarrollando los cálculos y análisis de esfuerzos para efectuar los planos dimensionados generales y de cada una de las piezas así como la selección de los materiales adecuados para el prototipo, en este estudio se analizó el comportamiento térmico de un horno eléctrico el cual utiliza especimenes metálicos normalizados, los cuales son sometidos a temperaturas homologas, esto es, la relación de la temperatura del ensayo y el punto de fusión del material, para ello se plantea el diseño de un horno, basados en fundamentos teóricos de termodinámica, mecánica de materiales, ingeniería eléctrica,. Consecutivamente se realizo la construcción del equipo llevándolo

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hasta la puesta a punto del equipo.y de esta manera presentar los resultados y a través de su análisis una conclusión. Estudio de mercado. Es la función que vincula a consumidores, clientes y público con el mercadólogo a través de la información, la cual se utiliza para identificar y definir las oportunidades y problemas de mercado; para generar, refinar y evaluar las medidas de mercadeo y para mejorar la comprensión del proceso del mismo. Dicho de otra manera el estudio de mercado es una herramienta de mercadeo que permite y facilita la obtención de datos, resultados que de una u otra forma serán analizados, procesados mediante herramientas estadísticas y así obtener como resultados la aceptación o no y sus complicaciones de un producto dentro del mercado. Antecedentes del estudio de mercados. El estudio de mercado surge como un problema del marketing y que no podemos resolver por medio de otro método. Al realizar un estudio de éste tipo resulta caro, muchas veces complejos de realizar y siempre requiere de disposición de tiempo y dedicación de muchas personas. Para tener un mejor panorama sobre la decisión a tomar para la resolución de los problemas de marketing se utilizan una poderosa herramienta de auxilio como lo son los estudios de mercado, que contribuyen a disminuir el riesgo que toda decisión lleva consigo, pues permiten conocer mejor los antecedentes del problema. El estudio de mercado es pues, un apoyo para la dirección superior, no obstante, éste no garantiza una solución buena en todos los casos, más bien es una guía que sirve solamente de orientación para facilitar la conducta en los negocios y que a la vez tratan de reducir al mínimo el margen de error posible. Ámbito de Aplicación del Estudio de Mercado. Con el estudio de mercado pueden lograrse múltiples de objetivos y que puede aplicarse en la práctica a cuatro campos definidos, de los cuales mencionaremos algunos de los aspectos más importantes a analizar, como son: El consumidor • Sus motivaciones de consumo • Sus hábitos de compra • Sus opiniones sobre nuestro producto y los de la competencia. • Su aceptación de precio, preferencias, etc. El producto • Estudios sobre los usos del producto.

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• Tests sobre su aceptación • Tests comparativos con los de la competencia. • Estudios sobre sus formas, tamaños y envases. El mercado • Estudios sobre la distribución • Estudios sobre cobertura de producto en tiendas • Aceptación y opinión sobre productos en los canales de

distribución. • Estudios sobre puntos de venta, etc. • La publicidad • Pre-tests de anuncios y campañas • Estudios a priori y a posteriori de la realización de una campaña,

sobre actitudes del consumo hacia una marca. • Estudios sobre eficacia publicitaria, etc. A continuación se presentan los principales proveedores de maquinas para ensayos de termofluencia que en este caso serán nuestros competidores, también se analizan los principales consumidores potenciales para nuestra maquina de ensayos. Principales proveedores mundiales de Máquinas de ensayos de termofluencia.

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Como podemos observar nuestros principales competidores son los Franceses, siguiéndoles los Alemanes y Rumania. Este resultado era de esperarse ya que como lo marcamos en el marco de referencia, los ensayos de termofluencia tienen su aplicación directa en la selección y diseño de materiales que trabajen durante largos periodos a temperaturas elevadas en elementos y maquinas como turbinas de gas y de vapor, líneas de vapor a alta presión, turborreactores, motores de cohetes, fuentes de potencia nuclear, motores de combustión interna y turbinas de avión entre otros, y estos campos son de las principales líneas de investigación e industrial de los países antes mencionados. Posibles Consumidores a nivel Nacional para nuestra Máquina. Como ya hemos visto, los ensayos de termofluencia se realizan con el fin de investigar propiedades de materiales sometidos a temperaturas elevadas, por lo cual ponemos la mira en sectores de investigación e instituciones académicas de nivel superior y postgrado, no dejando atrás otros posibles consumidores como el sector industrial y el sector gubernamental (CFE, PEMEX, etc.) Tabla 5. Posibles Consumidores.

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Estudio técnico. El siguiente paso para seguir estructurando el proyecto seria definir el estudio técnico para nuestro proyecto. El objetivo de aquí es diseñar como se producirá aquello que venderás o que presentaras como proyecto. Si se elige una idea es porque se sabe o se puede investigar

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como se hace un producto, o porque alguna actividad gusta de modo especial. En el estudio técnico se define:

• Donde ubicar la empresa, o las instalaciones del proyecto.

• Donde obtener los materiales o materia prima.

• Que maquinas y procesos usar.

• Que personal es necesario para llevar a cabo este proyecto.

En este estudio, se describe que proceso se va a usar, y cuanto costara todo esto, que se necesita para producir y vender. Estos serán los presupuestos de inversión y de gastos. En el cual se necesita conocer el estudio financiero. Como primer punto definiremos que las instalaciones donde se va elaborar el proyecto y el prototipo, serán las del laboratorio de manufactura y ensaye de materiales de la Esuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Culiacán del Instituto Politécnico Nacional (ESIME Cul. IPN). En las cuales se realizaran las acciones de maquinado, ensamblado, acabado y demás que sean necesarias para producir la maquinaria. El diseño, cálculo y algunas modificaciones y correcciones serán efectuadas en el laboratorio de ensaye de materiales, donde ayudados por software de diseño y dibujo podremos analizar la resistencia y funcionamiento de los materiales seleccionados para conformar la maquina. La materia prima necesaria será cotizada en todos los establecimientos que se encuentren en la zona del Distrito Federal y Estado de México, esto es por la relativa cercanía que podemos tener con ellos al momento de adquirir el material, evaluaremos las cotizaciones que nos ofrezcan esos proveedores además de la calidad y funcionamiento del producto y nos decidiremos por la mejor opción en cuanto precio y calidad para realizar las compras pertinentes. Los procesos por los que será producida la maquina serán, las formas de maquinado y ensamblado comunes, como los son el torneado, fresado, taladrado, machueleado, soldado, etc. Ya que carecemos de maquinaria especial como ejemplo centros de maquinado en CNC, electroerosionadoras, y demás maquinados especiales que podrían servirnos para la producción de nuestra prensa para termofluencia. En temas adelante se podrá encontrar el método de fabricación de la maquina y el diagrama de tiempos y movimientos así como las acciones de mecanizado, tolerancias y acabados que se realizaron para conformar la prensa y tener un producto terminado. Estudio financiero. Aquí se demuestra lo importante: ¿La idea es rentable?,. Para saberlo se tienen tres presupuestos:

• ventas

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• inversión • gastos

Que salieron de los estudios anteriores. Con esto se decidirá si el proyecto es viable, o si se necesita cambios, como por ejemplo, si se debe vender mas, comprar maquinas mas baratas o gastar menos. Hay que recordar que cualquier "cambio" en los presupuestos debe ser realista y alcanzable, si la ganancia no puede ser satisfactoria, ni considerando todos los cambios y opciones posibles entonces el proyecto será "no viable" y es necesario encontrar otra idea de inversión. Así, después de modificaciones y cambios, y una vez seguro de que la idea es viable, entonces, se pasara a diseñar y comenzar a producir el producto o proyecto estudiado. Dentro del estudio financiero que podamos hacer para nuestra maquina, será la comparación entre los precios que manejan las competencias en sus productos con los precios de nosotros. Además tenemos que comparar las especificaciones técnicas de su producto, con las de nosotros, como vimos en el estudio de mercado los principales fabricantes de maquinas para termofluencia son los Franceses y Alemanes, los cuales tienen maquinaria de punta con amplia tecnología y totalmente automatizadas, que comparándolas con las de nosotros son en un amplio rango muy superiores a nuestra maquina, pero también pudimos investigar que sus precios están en el rango de Medio millón a Tres millones de Euros y mas, según las características y capacidades de la maquina. Tomando una maquina con un rango de de 15Tn de carga , y 1200ºC max, con celda de carga electrónica y unida hidráulica manual, que es como la que tenemos pensado fabricar esta alrededor de 800 mil a 1 millón de Euros según el fabricante. Lo que nos abre las puertas a poder dominar el mercado Mexicano y una gran posibilidad de dominar también el mercado Latino, ya que muchas empresas o institutos que requieran esa maquinaria no pueden pagar esos elevados precios de las maquinas francesas o alemanas, y que además con lo que nosotros les ofrecemos cumplen ampliamente sus expectativas y propósitos para lo que quieren esa maquinaria, podremos asegurar que serán nuestros clientes. Ahora si, ya tenemos estudiado nuestro proyecto, ya vimos que era viable y rentable hacerlo, que podemos hacer muchos clientes en nuestro país y además de que era un buen proyecto hablando de capacidades y funcionamiento de la maquina lo cual nos permite ser muy competitivos en el mercado y no solo nacional sino también internacional, podemos dar el banderazo de salida para comenzar a diseñar y después de aceptado un diseño comenzar a fabricar nuestra Prensa Universal Hidráulica Para Ensayos Destructivos Con Opción De Ensayo De Termofluencia Para Laboratorios De Ensaye De Materiales.

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Comenzaremos con los diseños mas generales de nuestra maquina, en el cual se muestra principalmente la forma y las dimensiones que tendrá la prensa, e iremos incluyendo los dibujos según las modificaciones que se vallan haciendo, una vez que sea aceptado un solo diseño y que sea inamovible, le llamaremos diseño general final, de ahí comenzaremos con los cálculos de esfuerzos y deformaciones en las zonas criticas de la prensa para poder ir seleccionando los materiales adecuados, después continuaremos con el diseño de detalles y después con los métodos de fabricación y tiempos de maquinado.

I. Tipos de maquinas de ensayos.

Para poder diseñar nuestra maquina necesitamos conocer que elementos mecánicos existen que podamos utilizar, además necesitamos conocer las principales características que necesita una maquina para pruebas de materiales, como ya se había hablado los principales mecanismos que necesita una maquina son, 1) para sujetar la probeta, 2) para aplicar carga y deformarla, 3) para hacer las mediciones necesarias de carga y deformación, y un elemento adicional que es 4) el horno para calentar la probeta. Como ya se había establecido, en este trabajo se diseñara la prensa que es el punto 2) y los demás puntos se seleccionaran de lo existente en el mercado, por tanto el siguiente capítulo habla de los tipos de prensas que hay y de los diferentes mecanismos para aplicar la carga. La maquina utilizada para la mayoría de las operaciones de trabajo en frio y algunos en caliente, se conoce como prensa. Consiste de un bastidor que sostiene una bancada y un ariete, una fuente de potencia, y un mecanismo para mover el ariete linealmente y en ángulos rectos con relación a la bancada. La clasificación está en relación a la fuente de energía, ya sea operada manualmente o con potencia. Las maquinas operadas manualmente se usan para trabajos en lamina delgada de metal, pero la mayor parte de maquinaria para producción se opera con potencia. Otra forma de agrupar a las prensas, esta en función del número de arietes o los métodos para accionarlos. Los tipos más generales de clasificación de prensas son los siguientes:

A. Fuente de energía 1. Manual 2. Potencia

a) Mecánica b) Vapor, gas, neumática. c) Hidráulica

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B. Ariete 1. Vertical de simple efecto 2. Vertical de doble efecto 3. En cuatro correderas 4. De configuración especial

C. Diseño del bastidor

1. De banco 2. Inclinable 3. De escote 4. De puente 5. De costados rectos 6. Yunque 7. Columna

D. Métodos de aplicación de potencia al ariete 1. Manivela 2. Leva 3. Excéntrica 4. Tornillo de potencia 5. Cremallera y piñón 6. Junta articulada 7. Hidráulica 8. Neumática

E. Propósito de la prensa

1. Cizallas de escuadra 2. Cizallas de circulo 3. Dobladora 4. Punzonado 5. Extruido 6. Empalmado 7. Enderezado 8. Forzado 9. Acuñado 10. De transferencia 11. Roedora 12. Estirado 13. Revólver 14. Forja

Para seleccionar el tipo de prensa a usar en un trabajo dado, se deben considerar: El tipo de operación a desarrollar, tamaño de la pieza, potencia requerida, y la velocidad de la operación. Pero para los ensayos de materiales, principalmente se utilizan prensas hidráulicas, y

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electromecánicas, estas pueden ser manuales, semiautomáticas y automáticas. Prensas Electromecánicas. Las prensas electromecánicas ocupan principalmente dos formas de aplicación de potencia al ariete, que es por transmisión con engranes, reduciendo así la velocidad que suministra el motor y convirtiendo el movimiento angular en lineal y por transmisión por bandas y poleas.

Prensas Hidráulicas. Este tipo de maquinas electromecánicas se han sustituido, por sistemas hidráulicos que constan de bomba y cilindro hidráulico. El dispositivo hidráulico es más silencioso, mas fácil de regular y mas duradero ya que necesita mucho menos mantenimiento a comparación de los electromecánicos, pero no puede mantener una deformación constante para cualquier intervalo a causa de la falta de hermeticidad. Las especificaciones ASTM E4-61T exigen que las maquinas comerciales tengan errores menores del 1% dentro del intervalo de cargas al comprobarse contra modelos normalizados de comparación aceptables a, cuando menos, cinco cargas adecuadamente espaciadas. El intervalo de cargas puede ser cualquiera dentro del cual queden satisfechas las necesidades mencionadas de precisión, pero no debe extenderse después de 100 veces la carga mínima a la que la maquina responda o que pueda ser leída en el indicador. Bajo ninguna circunstancia se permite el empleo de graficas o tablas de calibración para corregir los resultados de una maquina que no de la exactitud necesaria.

Figura 32. Prensa para ensayos destructivos electromecánica semiautomática con transmisión por bandas y poleas.

Figura 31. Prensa para ensayos destructivos electromecánica semiautomática con transmisión por engranes.

Fig. 33Maquina de ensayos de tracción Marca Instron Electromecánica para 5Tn.

Fig. 34Los sistemas de ensayo de una sola columna son ideales para ensayos que requieren una fuerza inferior a 2 kN y en los que el espacio en el laboratorio es limitado.

Figura 35. Prensa hidráulica manual con cilindro.

Figura 36. Prensa hidráulica manual en H.

Fig. 39 Maquina para ensayo de termofluencia, hidráulica semiautomática, el Horno no se puede desmontar.

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En la actualidad los sistemas mecánicos de transmisión por engranes o bandas y poleas representan gran atención y mantenimiento, además de que requieren más elementos mecánicos para producir un fin requerido, por tal razón para nuestra maquina elegiremos un sistema hidráulico que al principio será manual, pero con la visión de que futuras generaciones se den a la tarea de automatizar por completo la maquina. El sistema utilizado será el siguiente.

Figura 40. Diagrama hidráulico para el equipo de ensayos.

La unidad de potencia cuenta con: • Motor eléctrico con arrancador. • Bomba de pistones o de engranes. • Tanque para aceite hidráulico. • Tapón y mirilla. • Manómetro y sus conexiones.

Horno para ensayo de termofluencia. Se dividen principalmente en dos tipos: • De Combustión. • Eléctricos.

La norma ASTM E-21 en su apartado 5.2.2 menciona que el horno deberá ser del tipo eléctrico o de radiación, ya que las características del medio circundante dentro del horno no deben tener efectos de oxidación, corrosión u otros efectos sobre la probeta que influyan en los resultados de la prueba. Por tal motivo los hornos de combustión no entran dentro de nuestro interés de estudio ya que no cumplen con la normatividad. Para nuestro fin seleccionaremos para estudio solo los eléctricos ya que son los que cumplen con las expectativas y normatividad de nuestro proyecto. Los hornos eléctricos. Pueden ser de resistencia, de arco y de inducción. Producen temperaturas muy elevadas y son los más indicados para la desulfuración y desfosforación de la fundición, para la obtención de aceros especiales y para los ensayos de materiales a temperatura elevada, porque en ellos el metal que se elabora o que se ensaya se haya libre de todo cuerpo extraño (aire, gas, carbón, etc.). La potencia de los hornos eléctricos se expresa por los Kw de corriente absorbida, que en los hornos de gran capacidad sobrepasan el millar. La cantidad de calor que produce un Kw-hora de corriente se obtiene por la formula Q= 0,00024x1000x3600=864 calorías.

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De arco voltaico: Es un flujo de chispas entre dos conductores eléctricos aproximados, que da una luz vivísima y una temperatura de 3000°. Un polo esta constituido por electrodos de grafito o de carbón y el otro es el mismo acero que se quiere fundir. En este sistema, que es el mas empleado, la corriente pasa a través del material y se llama por esto arco directo, mientras que si e arco se establece entre los extremos se llama arco indirecto. Existen y funcionan hornos de arco de varios tipos (Stassano, Heroul, Girod, Fiat, etc.) Formados por un recipiente cilíndrico de chapas y perfilados de hierro revestido de material refractario cubiertos de un cielo raza que los cierra completamente. En la parte delantera hay una puerta para la carga del material y el agujero de colada; en el cielo raso se encuentran tres agujeros para el paso de los electrodos. La base es curva y apoya sobre los rieles de manera que se puede inclinar para verter la colada. Los hornos de arco funcionan con un voltaje muy bajo (150 voltios) y fuerte amperaje (2500 a 4000 amperios),y la regulación de los electrodos es automática.

Fig. 41 Horno de Arco

De inducción: No es mas que un gran transformador en el cual el circuito secundario está constituido por material a elaborar. En ellos la corriente de las líneas que circula en las bobinas es de poca intensidad y de gran voltaje, mientras que la corriente inducida en el circuito secundario, formado por el material metálico colocado en la solera o crisol del horno es de poco voltaje y gran intensidad. Es este fuerte amperaje lo que determina en el horno este fuerte aumento de temperatura que funde el acero colocado en el crisol. Para iniciar el trabajo en esta clase de hornos hay que depositar en la solera una chapa bien caliente sobre la cual se hace luego la carga del material a tratar. Aunque mas costosos que los hornos a combustión, los eléctricos son preferidos por la uniformidad de calentamiento y por la pureza y homogeneidad de los aceros obtenidos.

Fig. 42 Horno de inducción

Horno de resistencia: Se basa en el principio de que un cuerpo conductor atravesado por la corriente eléctrica se calienta hasta fundirse. Prácticamente estos hornos (construidos con materiales de

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alta resistencia eléctrica) se usan hoy mas bien para producir temperatura hasta 1000° para los distintos tratamientos térmicos, y muy pocos para fusión de acero.

Fig. 43 Horno de Resistencias

Ahora que conocemos los tipos de hornos existentes y por las propiedades que ya analizamos de los hornos, para nuestro proyecto se diseñara un horno eléctrico de resistencias que oscile entre los 800 a 1000ºC, tratando de que el tiempo en que llegue a esa temperatura sea de entre 40 y 50 minutos. RESULTADOS

DISEÑO MECÁNICO DE LA PRENSA HIDRÁULICA Y LOS SISTEMAS DE SUJECIÓN A TENSIÓN Y COMPRESIÓN.

Ahora que ya definimos la configuracion final de nuestra maquina, comenzaremos con el calculos de los elementos criticos, los cuales nos proporcionaran las dimensiones y materiales adecuados para que nuestra maquina no falle y sea confiable, una vez que terminemos de nuestros calculos podremos saber correctamente que material y que dimensiones debemos de pedir al fabricante. Comenzaremos por el herramental que soportara la celda de carga , ya que en ese punto se encuentra la maxima carga que la maquina puede soportar. La unidad de potencia hidraulica que se utilizara, nos proporciona una carga maxima de 15 Tn debido a las caracteristicas de nuestro cilindro, por tanto seleccionaremos esta medida como la carga maxima que se le aplicara al sistema.

1. Diseño del Herramental para soportar la celda de carga.

La figura muestra que el herramental actúa como una viga en flexión. Considerando que la pieza será de Acero AISI 4140 y un factor de seguridad de N=2, la Pieza que necesitaremos será una placa de 8x8x2.5 in de Acero AISI 4140.

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2. Diseño de las vigas acanaladas (canal de acero) que soportaran el herramental.

Supongamos que las vigas están simplemente apoyadas, esto con el objetivo de hacer los cálculos mas fáciles que los de una viga con doble empotramiento, ya que esta viga se vuelve estáticamente indeterminada, y tendríamos que proceder por el teorema de los 3 Momentos o un análisis similar. Para compensar este análisis daremos un factor de seguridad de 2 siendo 1.3 a 1.5 los comúnmente ocupados. . Perfil 6x2 con peso de 13lb/pie, Espesor del alma de 0.437in, Momento de inercia I=17.3in4, Modulo de sección S=5.8 , Peralte 6in y ancho de patín de 2.15in.

3. Diseño de las bases donde se apoyaran los canales.

En las bases actúan las dos reacciones que soportan a cada uno de los canales, al sumar estas fuerzas para colocar una sola fuerza equivalente al centro se necesitan anexar los momentos que generan estas fuerzas, pero al analizar las direcciones de estos momentos, observamos que se anulan uno con otro, por tanto la placa queda con una fuerza al centro que es la suma de las dos fuerzas anteriores.

Pero ahora veamos que la placa va unida al poste con un tornillo al centro, lo cual hace que nuestro análisis se torne al de una viga empotrada. Veamos.

ta pieza se le maquinara una caja para que se aloje el poste, para esto es necesario 0.5 in más de material por tanto a la dimensión calculada se le agregara las dimensiones requeridas para la caja. Por tanto, necesitaremos una placa de acero AISI 1040, de 20x15x4 cm o más comercialmente seria de 8x6x1.5 in.

4. Diseño de los Postes de la Maquina.

Los postes trabajaran como columnas así que recordemos que es una columna. Una columna es un miembro que soporta una carga de compresión axial. Esta carga puede ser concéntrica (aplicada a lo largo del eje centroidal) o excéntrica (aplicada paralelamente al eje del miembro, pero a cierta distancia del mismo). Para el análisis de una columna se debe tomar muy en cuenta la longitud y el área de sección transversal, ya que en miembros que son

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relativamente cortos y gruesos la falla ocurrirá por aplastamiento general del material. A medida que aumenta la longitud de la columna, se reduce su capacidad de soportar cargas. Si se aplicara una fuerza de compresión a una barra larga, esta fallaría por que se presentaría repentinamente una gran deflexión lateral, a esta deflexión lateral se le llama Pandeo, y es producida por la inestabilidad de la barra a una cierta carga. Por otro lado la barra corta, fallaría por fluencia general. Por consiguiente la barra corta soportaría una carga considerablemente mayor que la barra larga. Cuando una barra se sujeta a compresión, pueden ocurrir tres tipos de falla, según la teoría de columnas. Las columnas cortas fallan por aplastamiento del material, las columnas largas fallan por pandeo, y las columnas intermedias fallan por una combinación de pandeo y aplastamiento. Las columnas cortas pueden analizarse y diseñarse según la ecuación elemental del esfuerzo axial. Sin embargo las columnas largas e intermedias deben tratarse de tal manera que se considere el fenómeno del pandeo. La base de la teoría de las columnas es la ecuación de Euler, que fue publicada en 1757 por Leonardo Euler, un matemático suizo. La ecuación solamente es valida para columnas largas y calcula lo que se conoce como carga critica de pandeo. Tenemos una columna doblemente empotrada. Y consideraremos que será de un acero AISI 4140 El material del que disponemos para realizar las columnas es de 2in de diámetro, por tanto la consideraremos una columna esbelta para garantizar nuestro diseño.

5. Diseño de afianzadores.

Un afianzador es cualquier dispositivo que se utilice para conectar o unir dos o mas componentes. Los más comunes son los afianzadores con cuerda a los que se hace mención comercialmente con múltiples nombres: entre ellos pernos, tornillos, pernos prisioneros, pijas y tornillos de ajuste. Un perno es un afianzador provisto de cuerda que se diseña de manera que pase a través de orificios en las piezas que se enlazan y se asegure al apretar una tuerca desde el extremo opuesto a la cabeza del perno. Un tornillo es un afianzador que se diseña para ser insertado a través de un orificio provisto de una cuerda en una pieza que se va enlazar a otra. El orificio con cuerda puede hacerse ya sea mediante un

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machuelo hembra, o bien, lo forma el propio tornillo al forzarlo a que entre en el material. En el diseño mecanico, casi todos los afianzadores se fabrican de acero debido a su alta resistencia, buena ductilidad y susceptibilidad aceptable para maquinarlos y darles forma. No obstante, se emplean diferentes composiciones y condiciones de acero. La resistencia de los aceros que se emplean para fabricar pernos y tornillos se utiliza para determinar su grado de conformidad con uno de los estandares. Casi siempre se dispone de tres especificaciones de resistencia, la resistencia al esfuerzo de traccion y la resistencia a la deformacion (punto cedente), ademas de la resistencia que resulta de prueba. La resistencia de prueba, similar al limite elastico, se define como la tension o esfuerzo a la cual el tornillo o perno sufrira deformacion permanente, casi siempre varia entre 0.9 y 0.95 veces la resistencia al punto cedente. Exixten principalmente 3 designaciones para pernos y tornillos: La SAE utiliza numeros de grados que varian entre 1y 8 los numeros mayores indican mayor resistencia. La ASTM publica cinco estandares en relacion a las resistencias de acero para fabricar pernos y tornillos. La designacion para tornillos metricos utiliza un codigo numerico que va de 4.6 a 12.9 los numeros mas grandes indican mayor resistencia. Las siguientes tablas muestran la informacion antes mencionada. Grados SAE de aceros para fabricar afianzadores.

Estandares ASTM para aceros para fabricar pernos.

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Grados Metricos de aceros para fabricar pernos.

Dimensiones American Standard de cuerdas.

Se necesita diseñar el perno que ira unido de las bases al poste, para esto necesitamos una carga de afianzamiento de 73.6 kN, esta carga es necesario convertirla a unidades del sistema ingles, ya que comercialmente son las unidades que maneja el fabricante.

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Supongamos que el perno sera de Grado 5 SAE, ya que es lo mas comercial en el mercado. De la tabla 1 tenemos por tanto buscamos la medida adecuada. Por tanto, de la tabla 4 seleccionamos el diametro de tornillo para lo cual tenemos: ¾ UNF → que es menor a la calculada. X ⅞ UNF → que corresponde con el calculo pero que no es comercial. X 1 UNF → corresponde al calculo y es medida comercial. Ok. Ahora calculamos el torque necesario para apretar este tornillo. Según la ecuacion tomada de “diseño de elementos de maquinas Robert L. Mott” T=KDP Donde: T=torque D=diametro exterior nominal de las cuerdas P=carga de afianzamiento K=cte dependiente de la lubricacion presente. K=0.15 si existe algun tipo de lubricacion. K=0.2 si los hilos de la cuerda estan bien limpios y secos.

T=KDP = (0.15)(1in)(33000lb)=4950lbin = 57.15kgm Seguimos con el calculo de los tornillos que sujetaran el herramental de la celda de carga, como la figura nos muestra, seran 3 tornillos que soportaran 33klb, por tanto cada uno se debe diseñar para que soporte 11klb. Por tanto los afianzadores seran: 1 pulgada rosca fina. ½ pulgada rosca fina.

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ESQUEMAS DE LA MAQUINA.

CELDA DE CARGA Y HERRAMENTAL DE APOYO.

MORDAZAS. Diseño Final Para Prensa.

DIAGRAMA HIDRAULICO.

Diagrama hidráulico para el equipo de ensayos.

La unidad de potencia cuenta con: • Motor eléctrico con arrancador. • Bomba de pistones o de engranes. • Tanque para aceite hidráulico. • Tapón y mirilla.

Para Tensión

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• Manómetro y sus conexiones.

Análisis de Fabricación de piezas Y Construcción De La Maquinaria. 1. Análisis De Fabricación. Elección de la secuencia en la que intervienen diferentes equipos y herramientas en un proceso, para obtener el producto especificado en un dibujo de proyecto. 2. Elementos Para Hacer Un Análisis De Fabricación.

o Dibujo de proyecto de la pieza o conjunto por fabricar o Ritmo de producción (pieza/unidad de tiempo) o Conocimiento de las posibilidades y limitaciones del equipo

(maquinas, herramientas, dispositivos de sujeción, dispositivos o elementos de medición) disponible para la fabricación

Si el equipo ya se tiene. Los elementos anteriores se usan cuando la fabricación se debe de hacer con equipo determinado. Si el equipo se va adquirir. En el caso de que sea un producto para el cual se va adquirir el equipo después de haber hecho el análisis de fabricaron, entonces se hará un pre-análisis con el dibujo del proyecto de la pieza o conjunto por fabricar y posteriormente se deben consultar catálogos de: - Maquinaria. - Equipo. - Herramienta. - Elementos o dispositivos de sujeción. - Información técnica sobre nuevos procesos, para definir aquellos

que sean más adecuados para la obtención del producto. 3. Funcionalidad Y Costo Del Producto. Al definir el análisis de fabricación se debe hacer un balance entre el compromiso de respetar las especificaciones funcionales dadas en el dibujo de proyecto, cumplir el ritmo de producción y fabricar el producto al menor costo posible para que sea competitivo. 4. Conceptos Utilizados En Los Análisis De Fabricación.

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La metodología para definir un análisis de fabricación, establece que se manejen conceptos tales como proceso, fase, subfase, operación, superficie de partida, superficie de referencia. Proceso. Labor realizada en varios departamentos de trabajo (fabricación de un escritorio, de una maquina de escribir, de una bicicleta, de un radio, etc.). Se identifica con números tales como 100, 200, 300, etc. Fase. Constituye el conjunto de actividades ejecutadas en un mismo puesto de trabajo (torneado, fresado, taladrado, cepillado, maquinado general, moldeado, forjado, armado, almacenado, pintado, soldado, templado, cromado, etc.). Se identifica con números tales como 10, 20, 30, etc. Subfase. Es el trabajo realizado sin desmontar la pieza, ya sea que este colocada en un montaje de maquinado, sujeta sobre el plato de una maquina o montada en un tornillo de banco. (Tornear, fresas, taladrar, moldear, forjar, soldar, pintar, cromar, rectificar, electroerosionar, etc.). Se identifica con las letras tales como A, B, C, etc. Una subfase puede contener varias operaciones. Operación. Representa el trabajo ejecutado sin desmontar a la pieza y sin cambio de las herramientas. Ejemplo: - Una pasada de maquinado es una operación. - Varias pasadas de maquinado son operaciones diferentes

cuando se interrumpe el movimiento entre pasadas, o si existen movimientos de retroceso de la herramienta o de la pieza.

- En cambio varias pasadas de maquinado, constituyen una sola operación, si son realizadas simultanea o sucesivamente, pero por el mismo movimiento relativo pieza-herramienta y sin interrupción del mismo (maquinado con tren de fresas).

- En el trabajo manual, el barnizado de una rosca para protegerla es una operación. Si este trabajo fuera mecanizado, se haría sin modificar el montaje de la pieza, sin cambio de herramienta (pincel), y sin modificación de los movimientos pieza-herramienta.

Superficie de partida (S.P.). Son superficies en bruto que sirven de apoyo a la pieza sobre la maquina, al principiar la subfase de maquinado, con objeto de obtener superficies de referencia. La cota que une la

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superficie en bruto con la primera superficie de referencia a obtener, se le llama cota de partida (C.P). ver figura VI.1 Superficie de referencia (S.R.). Son superficies maquinadas que sirven de apoyo a la pieza sobre la o las maquinas, en las diferentes subfases de maquinado. La cota que une dos superficies maquinadas se le llama cota de referencia (C.R.). ver figura VI.1 Las tolerancias de las cotas de partida y de las de referencia pueden ser dimensionales o de posición. ver figura VI.2 5. Secuencia Para Establecer Un Análisis De Fabricación. Conociendo los elementos mencionados en el punto 2 (dibujo de proyecto, ritmo de producción, posibilidades y limitaciones del equipo para la fabricación), se hace lo siguiente: Estudiar el dibujo de proyecto, para conocer: - Formas. - Dimensiones. - Tolerancias dimensionales. - Tolerancias de forma. - Tolerancias de posición. - Rugosidad de las superficies que se desea obtener. - Superficies de partida. - Superficies de referencia. - Materiales. - Recubrimientos superficiales. - Tratamientos térmicos.

Determinar el proceso con: - Formas. - Dimensiones. - Materiales.

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- Recubrimientos superficiales. - Tratamientos térmicos.

Determinar las fases en función de: - Tolerancias dimensionales.

Determinar las sub-fases observando: - Tolerancias de forma. - Tolerancias de posición. - Superficies de partida. - Superficies de referencia.

Determinar las operaciones con_ - Rugosidad de las superficies que se desea obtener.

Una vez conocidas las especificaciones dadas en el dibujo de proyecto, el manejo de los datos para determinar procesos, fases, sub-fases, y operaciones que deberá llevar la pieza en estudio, se hace de la manera siguiente. Formas. Si el tipo de formas que se desea fabricar son predominantemente prismáticas de revolución o combinadas, se escogerán algunos procesos por medio de los cuales esas formas puedan obtenerse. Dimensiones. Este factor nos va a definir un poco más el proceso, pues si las dimensiones de la pieza que se va a producir son muy grandes será menester usar maquinaria pesada o procesos típicos para fabricaciones de este tipo. En cambio si las dimensiones que se van a manejar son pequeñas serán otros procesos muy diferentes los que se utilizaran. Por ejemplo se podría decir que para la fabricación de piezas grandes y pesadas se usara forja, fundición, mecanosoldadura. Para piezas pequeñas se usaría maquinado con tornos automáticos o revolver.

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Comenzaremos la Descripción de la fabricación de las Piezas y de la construcción de la prensa hidráulica para ensayos destructivos de materiales. Como primer punto, estableceremos el primer proceso al cual denominaremos con el numero 100 que comprende la fabricación y ensamble de la prensa hidráulica y que se llevara acabo en el Laboratorio de maquinas herramientas de la ESIME Unidad Culhuacan. Una vez teniendo seleccionados todos los materiales a ocupar y haberlos comprado procedimos a almacenarlos en el laboratorio, a continuación se presenta una lista de materiales que compramos para la fabricación de la prensa.

Primera Fase (10). Corte de Material. - Se lleva la barra para los postes, a la segueta mecánica en la

cual se le hace un corte a una longitud de 1.50m para que queden dos barras de 1.50mx 2in de diámetro.

- Se lleva la Viga tipo Canal a la segueta y se realizan los siguientes cortes. 3 cortes de 64cm correspondientes a la base de la prensa. 2 cortes de 90cm correspondientes a las vigas de apoyo de la celda de carga.

- Se lleva el ángulo a la segueta mecánica y se realizan los siguientes cortes. 4 cortes de 64cm correspondientes a los refuerzos para la base.

Segunda Fase (20). Postes. - Se monta uno de los postes en el torno Harrison 400, y se Refrenta

o Carea, la cara del corte hasta la dimensión necesaria para que quede la cara totalmente plana y perpendicular al eje del poste.

- Subfase A. Con la broca de centros se hace un barreno para montaje de la pieza entre dos puntos.

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- Subfase B. Se monta la pieza entre dos puntos, procurando que quede la pieza de 1.50m a lo largo del torno totalmente descubierta, para que con una lija de esmeril de numero 80 y a 1200rpm se le de una pulida al material para tener un acabado presentable y libre de oxido. Se asienta la pulida con lija del 120

- Subfase C. Se monta la pieza en el mismo sentido pero con menos espacio en voladizo para realizar barrenos.

- Subfase D. Se monta el broquero en la caña del torno, y se barrena al centro con broca de 1/4 , 1/2 ,3/4 , y por ultimo 5/16, hasta una profundidad de 2.5in.

- Subfase E. Se realiza la cuerda interior con un machuelo de 1in cuerda fina hasta una profundidad de 2in.

- Subfase F. Se Monta la pieza pero girando 180º para que quede la otra cara lista para refrentar hasta llegar a una longitud de 149cm.

- Subfase G. Se siguen los puntos D y E para tener machuelo en los dos extremos del poste.

Tercera Fase (30). Postes. - Se siguen cada una de las subfases A,B,C,D,E,F y G de la Fase 20

para tener el otro poste de la maquina con una longitud de 149cm y con dos machuelos en cada uno de los extremos con una profundidad de 2in.

Cuarta Fase (40). Placas de Apoyo de Vigas. - Se montan cada una de las placas de 8x8x1.5in en el torno

Harrison 300 con el chuk de 4 mordazas y se realiza una caja al centro de 2in de diámetro con una profundidad de 0.5in.

- Subfase A. Se barrena al centro la placa hasta llegar a la broca de 1in, para que se pueda introducir el tornillo de sujeción. �

Quinta Fase (50). Placas Refuerzo de la Base. - Se montan cada una de las placas de 8x6x1/2 in en el torno

Harrison 300 con el chuk de 4 mordazas y se realiza una caja al centro de 2in de diámetro con una profundidad de ¼ in.

- Subfase A. Se barrena al centro la placa hasta llegar a la broca de 1in, para que se pueda introducir el tornillo de sujeción.

Sexta Fase (60). Armado Y Soldado de la Base.

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- Se arman las piezas previamente cortadas, como se muestra en

la figura y se soldán utilizando corriente alterna a 200 Amperes Utilizando Electrodos 7018 de 1/8” después se comprueba la penetración de los hilos y se pulen para dar presentación.

Séptima fase (70). Maquinado del Herramental para la celda de carga.

- Se monta la pieza de acero de 8x8x3 in en la fresadora universal,

a la maquina se le monta un cortador de un solo filo llamado comúnmente PALOMA el cual hace el trabajo de un buril, con esta herramienta se maquina la caja de 14 cm y posteriormente se maquina el escalón de 10.5 cm el cual pasa por toda la pieza hasta dejar el barreno por el cual pasara el eje de la mordaza.

- Subfase A. Se monta la pieza en el taladro de columna en conjunto con las dos vigas ayudados de prensas que eviten el deslizamiento del herramental y las vigas, las vigas se sujetan a la bancada por medio de bridas y se hacen los barrenos de ½” como se muestra en la figura.

- Se monta en una prensa del taladro de columna la pieza del herramental y se realizan los barrenos de 7/16”en el escalón los cuales sujetaran la celda de carga.

-

Octava fase (80). Maquinado del herramental del pistón hidráulico. - Se monta en la fresadora vertical y se hace la caja necesaria

como se muestra en la figura. - Subfase A. se monta en el taladro de columna y se hace el

barreno para ajustar el perno.

Novena Fase (90). Ensamblado de las piezas. - Se ensamblan todas las piezas y se atornillan como se muestra en

la figura, teniendo muy presente el paralelismo de las partes importantes y la planicidad de algunas otras, se realizan los ajustes necesarios y si es necesarios se calzan las partes que lo necesiten comprobando siempre con los equipos e instrumentos de medición.

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Proceso (200). Elaboración y ensamble de tolvas de protección. - Con la lamina trazamos las tolvas que se ocuparan en la maquina

y ayudados de la dobladora, la cizalla y la soldadora por puntos se realizan las tolvas y se ajustan en la máquina para que quede como en la siguiente figura.

NOTA: Una vez que quede ajustada la maquinaria se debe hacer una comparación con los planos y las tolerancias marcadas para reconocer cuales de los elementos de la maquinaria necesitaran un acabado superficial para proteger la vida útil. Una vez que se halle ajustada la maquina con respecto a los instrumentos de medición, será necesario hacer por lo menos 5 pruebas de tensión a diferentes elementos para ver como reacciona la maquina a los esfuerzos aplicados, después de ahí se debe valorar y hacer las correcciones necesarias si así lo requiera, y en el caso que se apruebe la calidad de las pruebas y del funcionamiento de la maquina, se procederá a empotrar al cemento la maquinaria con lo cual posteriormente no podrá ser cambiada de lugar sin sufrir alteraciones en las lecturas. Los instrumentos electrónicos de medición serán calibrados con la ayuda de expertos en la materia y se comprobaran en cada ensayo destructivo que se realice. DISEÑO MECÁNICO Y CONSTRUCCIÓN DEL HORNO DE TERMOFLUENCIA.

ESPECIFICACIONES DE ACUERDO A NORMA. En base a la investigación que se realizo en diversas bases de datos de bibliotecas virtuales del Instituto Politécnico Nacional, de la Universidad Autónoma de México, así como en la Dirección General de Normas, la normalización para esta prueba de manera especifica existe en diversos documentos ya que al consultarlas se encontraron

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normas con respecto a distintos materiales y ensayos con aplicaciones muy especificas. Por lo que las especificaciones que se consideraron en éste proyecto están fundamentadas en las siguientes normas, en donde se describen las características que cumplen con los requerimientos de diseño planteados anteriormente: DISEÑO Y SELECCIÓN DE MATERIALES. Se considera un problema estacionario de conducción del calor en un material que ocupa un dominio poligonal acotado, es decir, un sistema con geometría definida y acotada. La frontera del dominio esta compuesta de dos porciones de interiores dispuestos de forma conjunta. En las dos la frontera se mantiene un flujo de calor saliente, en tanto que en el resto de la frontera el flujo de calor verifica una ley de tipo Fourier (La ley de Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energía J y el gradiente de temperatura. J=K[(ϑT)/(ϑx)]) con coeficiente de transferencia positivo. Considerando nuestro sistema cerrado como punto de inicio, podemos señalar que el flujo de calor es constante e ininterrumpido, por tanto la dilatación de los materiales empleados esta presente. Las condiciones habituales de trabajo presentes en un sistema diseñado para el calentamiento hacen que estos factores sean considerados de alta importancia En base a lo anterior se seleccionaron los materiales cerámicos y metálicos para la construcción del horno, siendo la principal consideración la temperatura de trabajo. Podemos resumir el análisis en los siguientes puntos: a) Materiales empleados b) Analizando nuestro sistema en base a los requerimientos planteados con anterioridad, podemos despreciar las condiciones de esfuerzos inducidas por cargas externas, debido al mínimo peso de las resistencias la primera de ellas es de 136.194 gramos y la segunda es de 246.507 gramos, por lo tanto podemos decir que son despreciables dichos esfuerzos generados por el peso de si mismas.

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Analizando nuestro prototipo podemos decir, respecto a los cálculos que la dilatación que sufren las resistencias son mínimas y por lo tanto la restricción espacial no delimita en lo más mínimo la operación de las resistencias. Así mismo se analizo los esfuerzos generados por gradiente térmico y no se encontró restricción alguna. Existe un rango de holgura considerable entre una y otra resistencia además la última capa que cubre por completo las resistencias, en conjunto se conforma por una colcha cerámica hasta cierto punto flexible y moldeable, las características de esta nos brindan ayuda por considerarse el recubrimiento final y proporcionará ciertas ventajas en el caso de que se presente algún problema generado por el mal manejo de las resistencias que puedan estropear el prototipo. c) Las pérdidas de calor se minimizan mediante una capa de fibra cerámica con una conductividad extremadamente baja y un espesor adecuado según análisis efectuados. PLANOS GENERALES DE CADA UNA DE LAS PIEZAS. Isométrico

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CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO El horno para ensayos destructivos de termofluencia está fabricado de diversos elementos como son: cámara de calefacción, Termopares, etc. De los cuales como primordial se considera a las resistencias eléctricas ya que éstas aumentan la temperatura en el sistema y crean las condiciones necesarias para realizar la prueba. Resistencias. Fueron elaboradas con alambre de níquel y cemento refractario, el primero se moldeo en forma helicoidal (resorte) con espirales cerradas y el segundo fue preparado con agua en proporción 3:2 haciendo una mezcla de baja viscosidad. La resistencia se sujeto con ligas de hule dándole forma de cilindro e introducido al centro del molde previamente cubierto de vaselina en la pared interior, posteriormente se vació el cemento refractario retirando el aire de la mezcla haciendo vibrar la base. Las resistencias se dejaron fraguar por dos semanas al sol, posteriormente se retiraron del molde y se resanaron las grietas. Una vez endurecido el exterior se realizo un tratamiento térmico a 120°C por 2 horas retirando la humedad restante. Las Resistencias eléctricas son las piezas esenciales del horno por lo cual se realizo un trabajo experimental en ellas teniendo así el siguiente procedimiento: Se construyeron dos resistencias cilíndricas, en la primera se mezcló el cemento refractario con una menor cantidad de agua (proporción 1:3) obteniendo una composición adherente difícil de manipular y el

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tiempo que se dejo fraguar fue de aproximadamente 1 semana antes de retirar del molde. En este caso se formaron grandes grietas y el refractario no fraguo adecuadamente por lo cual al extraerla del molde se fragmento en porciones muy pequeñas haciéndola infuncional. Para la segunda la proporción de agua fue de 2:3 haciendo la mezcla menos viscosa y fácil de moldear, a demás el fraguado se llevo a cabo en 3 semanas y se realizo un tratamiento térmico posterior al endurecimiento lo cual generó un resultado satisfactorio. Posterior a su construcción se experimentó con la resistencia para saber a que temperatura se elevaría y el tiempo que tardaría en hacerlo en condiciones adversas, esto es sin ningún registrador de programa controlable y conectado directamente a una tensión de 110-120V C.A monofásica, 60Hz lo cual produjo como resultado que el alambre de la resistencia elevara su temperatura en un periodo de tiempo de 5 segundos a mas de 300°C y que el refractario conservara una temperatura de 55°C aproximadamente antes de que el sistema fallara. “En la atadura de los termopares a un espécimen, la ensambladura se debe mantener en contacto íntimo con el espécimen y blindar de la radiación. El blindar se puede omitir si, para una temperatura particular del horno y de la prueba, la diferencia en temperatura indicada de un nodo sin blindaje y un nodo insertado en un agujero en el espécimen se ha demostrado es menor de una mitad de la variación enumerada en el punto 9.4.4. de la norma E21. Cuando la longitud de la sección reducida es 1 pulg. o más, unir por lo menos dos termopares al espécimen, uno cerca de cada final de la longitud. Para las longitudes de dos pulgadas o más agregue un tercer termopar cerca del centro de la longitud.”1 Como se ha mencionado anteriormente los ensayos destructivos de fluencia o creep requieren de especímenes o probetas a ensayar, los cuales deben ser del material el cual se quiera evaluar a elevadas temperaturas y requieren una preparación antes de ser ensayadas, basándose sobre todo en los requisitos necesarios para obtener las muestras representativas estadísticamente del material que es caracterizado.

28 E21 Norma de Tensión a Alta Temperatura.

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“Para realizar un ensayo el espécimen será orientado de tal forma que el eje del espécimen sea paralelo a la dirección de la fabricación, y localizado como sigue:

• En el centro para los productos de 1 1⁄2 pulg. (38 milímetros) o menos en grueso, diámetro, o distancia entre los planos.

• Mitad del centro a la superficie para los productos que excedan 1 1⁄2 pulg. (38 milímetros) en grueso, diámetro, o distancia entre los planos.

• El diámetro (o la anchura) en los extremos de la sección reducida del espécimen no debe ser menos que el diámetro (o la anchura) en el centro de la sección reducida. Puede ser deseable tener el diámetro (o anchura) de la sección reducida del espécimen levemente más pequeño en el centro que en los extremos. Esta diferencia no debe exceder del 0.5% del diámetro (o de la anchura).”2

Posteriormente se evalúa la duración de la prueba, “(definida como el tiempo de la iniciación de la carga hasta fractura), no permitiendo que la diferencia entre la temperatura indicada y la temperatura nominal de la prueba exceda los límites siguientes:

Hasta e incluyendo 1000°C (1800°F) ±3°C (5°F) Sobre 1000°C (1800°F) ±6°C (10°F)

En las pruebas realizadas a temperaturas de algunos cientos de grados, la energia interna debido a la deformación plástica puede levantar la temperatura del espécimen sobre los límites especificados. En estos casos incluya la temperatura alcanzada en la fuerza máxima y la razón de este comportamiento en el informe. El tiempo que se debe mantener la temperatura antes del comienzo de la prueba debe ser tomado en cuenta para el momento del inicio, para asegurarse de que el espécimen ha alcanzado equilibrio térmico y de que la temperatura se puede mantenerse dentro de los límites específicos. Salvo alguna otra especificación éste no debe ser menos de 20 minutos. Reportar el tiempo para lograr la temperatura de prueba y el tiempo de la temperatura antes de aplicar la carga”3 Perdidas de calor y análisis de esfuerzos. Perdidas De Calor.

29,30 E21 Norma de Tensión a Alta Temperatura.

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Analizando el sistema en la generación y transferencia de calor tenemos que el material con que fue construida la resistencia (Ni) transforma la energía eléctrica a calor de una manera eficiente teniendo una perdida de solo 0.3% como se indica en la literatura (4), el calor generado en la resistencia se ve almacenado en el cemento refractario que tiene una gran capacitancia y aunado a este hecho la barrera restrictiva de la colcha cerámica con un coeficiente de transferencia de calor por conducción de 0.31 w / mk que es muy bajo se garantiza que la perdida de calor es mínima como también se puede observar por el calculo de el coeficiente de transferencia de calor por convección del sistema de 5 – 25 w / m2 k (5)que multiplicando por el área externa del horno, que es relativamente pequeña, nos arroja una perdida de calor mínima. Área del horno h = 12 cm. ∅ = 15 cm. A = 2(π∅2) + π∅h A = 0.19792 m2 q= h (T∞ - Ts) NOTA q = 25 w/m2k (0.19792 m2) (298.15k -353.15k) q = 272.14w NOTA: la temperatura en la superficie se midió experimentalmente durante la puesta a punto del equipo siendo de 80°C con una temperatura de operación de 700°C del horno. Esfuerzo Térmico Generado Por La Resistencia. Básicamente el horno consiste de cemento refractario y está sujeto por 2 barras de acero, siendo forzado a encajar a estas de forma justa cuando T1= 25°C. Si la temperatura se eleva a T2= 1200°C, determine el esfuerzo térmico normal promedio desarrollado en la barra. Considere Econcreto= 4 Ksi. Y α = 5.5 X 10 -6 /°F Donde: α= una propiedad del material, llamada coeficiente final de expansión térmica. ΔT=cambio de temperatura. L= Longitud inicial del miembro.

4 Universidad de argentina. 5 Pp. 464 tabla 14.1 Ingeniería termodinámica, M. David Burghardt Edit. Harla 2da edición año 1984.

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ΔL= el cambio en la longitud del miembro. Di=diámetro interior De= diámetro exterior h=altura Usando el principio de superposición, ocurre el desplazamiento térmico ΔA en A. La fuerza F desarrollada en el apoyo redundante A, trae entonces el cuerpo a su posición inicial de acuerdo en δA, es decir, la condición de compatibilidad en A resulta: (↑+) 0= ΔA-δA Aplicando las relaciones térmicas y carga-desplazamiento, igualando tenemos: 0=αΔTL – FL/AE αΔTL – FL/AE = ΔA-δA Entonces: F=αΔT * (AE) Sustituyendo: F= [5.5 (10-6 /°F)][2192-77°F] [A][4klb/in2] A= [(De-Di)/2][h] A= [(2in- 1in)/2][2.236 in]= A= 1.181 in2 F= [5.5 (10-6 /°F)][2192-77°F] [1.181pulg2][4klb/in2] F=0.05495 Klb. F=54.95 lb. De la magnitud de F debería ser aparente por los cambios de temperatura pueden causar fuerzas de reacción grandes en miembros estáticamente indeterminados.

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Puesto que F representa también la fuerza axial interna en la resistencia, el esfuerzo (térmico) de compresión normal promedio es entonces: σ=F/A = (54.95 lb/1.181in2) σ=.04653ksi 46.53lb/in2 Considerando este resultado no rebasamos el esfuerzo máximo promedio para el cemento refractario (40 a 150 ksi)6 y por lo tanto nuestro componente no fallara por esfuerzos térmicos. Cámara de calefacción. La carcasa es de lámina de acero inoxidable (calibre 20) la cual fue rolada y doblada en frió dándole forma de semicírculo. Las tapaderas superior e inferior fueron cortadas y maquinadas en el torno, posteriormente son unidas con soldadura T.I.G. El aislante térmico (colcha cerámica) es colocado en el interior de la carcasa y son fabricadas dos tapas de asbesto circulares que será el aislante de las tapas. Termopares. Los sensores deben de soportar hasta 1200 °C y tener una respuesta rápida al cambio de temperatura es por ello que se selecciono alambre desnudo de termopar tipo K (cromel-alumen) calibre 20 y cerámicos bifilares de 5cm de largo aproximadamente. Para su construcción se introdujeron los alambres en los orificios del cerámico bifilar, dejando en un extremo una extensión de 10 a 15cm y el otro de 3cm. Posteriormente el lado mas corto se entrelazo haciendo tres espirales y se coloco lo mas cerca posible del cerámico después se seccionó el excedente de la punta. Por ultimo con soldadura de gas (oxiacetileno) se unieron los dos materiales introduciendo 1/3 de la sección trenzada al centro de la flama por alrededor de 1 segundo. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

6 Pat. L. Mangonon, Ciencia de materiales selección y diseño.

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Partiendo del hecho de que el proyecto desarrollado es la conjunción de dos trabajos o sub proyectos en donde el punto de convergencia es la muestra normalizada a probar y el espacio donde se puede llevar a cabo el ensayo se puede decir lo siguiente: La alta velocidad de calentamiento del horno para termofluencia, así como alta respuesta de los termopares tipo K desnudos a los cambios de temperatura, permiten un buen control, aunado a la gran capacitancia térmica del sistema de calentamiento ocasionada por la unión materiales cerámicos y la resistencia de nique, así como el uso de fibra cerámica como aislante provee al sistema de una baja perdida de calor, logrando con esto una alta eficiencia en el consumo de energía (recordando que las pruebas de termofluencia se llevan a cabo en tiempos muy largos aproximadamente entre 2000 horas o mas Por otro lado la aplicación de una carga continua o constante que se logro con el sistema hidráulico hace óptimo su funcionamiento, además la baja deformación del marco diseñado y construido en el proyecto, garantiza una baja desviación de los valores obtenidos en las pruebas de tensión, compresión o termofluencia. Por lo tanto se puede decir basándose en los resultados individuales de cada sub proyecto que la eficiencia del equipo en su conjunto diseñado y construido es eficiente y satisfactoria para los objetivos planteados en el proyecto

IMPACTO DEL PROYECTO. El proyecto de investigación desarrollado “Diseño y Construcción de un prototipo de máquina universal hidráulica con capacidad de 20 toneladas con opción de ensayo de Termofluencia para el laboratorio de Química y Ciencia de Materiales de la ESIME Culhuacan”, permitirán probar cualquier tipo de material (metales cerámicos, polímeros y materiales compuestos), cuya resistencia mecánica puede ser baja, media o alta, ampliando las posibilidades de su uso en distintas prácticas de los Programas de Estudios de las asignaturas de Diseño Selección y aplicación de Materiales, Tratamientos Térmicos y Ciencia de materiales II, beneficiando el proceso enseñanza-aprendizaje en los alumnos de la Carrera de Ingeniería Mecánica, formando profesionales altamente

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competitivos, capaces de diseñar y fabricar equipos con tecnología que impactará en la industria, vida académica y por consecuencia en el ámbito social y económico del país, Así mismo permitirá desarrollar investigación en la descripción del comportamiento mecánico de materiales metálicos a través de ensayos destructivos a altas temperaturas y en el área de investigación de materiales en E.S.I.M.E Culhuacan. Se logro la construcción de un equipo de calentamiento con excelente eficiencia al lograr el incremento de temperatura en un periodo de tiempo muy corto, a demás de presentar poca pérdida de energía debido a los materiales utilizados en su construcción, a su vez se logró un sistema de control del equipo de manera óptima y confiable. Así mismo el diseño y construcción de un marco que garantice baja deformación a la aplicación de carga constante y máxima satisfacen las condiciones de prueba de una manera eficiente. Se demostró que es posible llevar a cabo proyectos con alcances de gran importancia ya que no necesariamente éste tiene que ser un prototipo de una máquina completa, se pueden conjuntar varias ideas para lograr un proyecto global sin apuntar a un área definida logrando la multidisciplinariedad y de esta forma converger hacia un mismo objetivo, impulsando y promoviendo así el desarrollo tecnológico en México. Con la culminación de este proyecto, Se ha desarrollado tecnología muy básica pero de suma importancia obteniendo una maquina sumamente competitiva en el mercado, teniendo como principal parámetro de comparación Ingeniería Alemana, colocando a México y a la Ingeniería Politécnica en un nivel muy importante mundialmente. Se Logro sentar las bases de una mejor educación en generaciones posteriores incrementando su conocimiento teórico al contar con un prototipo que repercute de manera analítica para observar claramente el proceso de termofluencia el cual tiene un impacto dentro del proceso enseñanza-aprendizaje y se encamina hacia un nuevo y mejor sistema educativo. Por lo tanto se puede decir basándose en los resultados individuales de cada sub proyecto que la eficiencia del equipo en su conjunto diseñado y construido es eficiente y satisfactoria para los objetivos planteados en el proyecto

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NOTA: LOS DIBUJOS, TABLAS Y ECUACIONES SE ELIMINARON PARA DAR EL ESPACIO DE MEMORIA PEDIDO.