UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERÍADEPARTAMENTO DE MECÁNICA

Tópicos II: Polímeros y Materiales Compuestos.

“Experiencia n° 3, Determinación de la Dureza y la Resistencia a las Cargas

Dinámicas.”

Alumno : Miguel Lizana Ramírez.Profesor : Bernardo Gárate.Fecha : 30 de junio de 2006

INDICE.

4. RESUMEN DEL CONTENIDO DEL INFORME. 3

4. OBJETTIVOS DE LA EXPERIENCIA. 3

4. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO SEGUIDO. 3

4. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS. 4

4. PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS 5

4. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS, CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES PERSONALES 6

4. APENDICE.

TEORIA DEL EXPERIMENTO 7

DESARROLLO DE LOS CÁLCULOS 11

TABLAS DE VALORES OBTENIDOS Y CALCULADOS 12

GRÁFICOS OBTENIDOS 13

BIBLIOGRAFIA. 14

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1. Resumen del contenido del informe.

En el siguiente informe, se darán a conocer los resultados obtenidos a partir de un ensayo de dureza, practicado a unas probetas circulares de: poliamida, polietileno y polipropileno; realizadas mediante un durómetro análogo. Y un ensayo de resistencia a las cargas dinámicas, realizada con un equipo de impacto con proyectil con punta cónica; efectuado a seis probetas de fibra de vidrio con las fibras cruzadas y de diferentes espesores.

2. Objetivos de la experiencia.

a. Determinar la dureza de distintos tipos de plásticos rígidos.b. Analizar el comportamiento comparativo de los materiales ensayados ante la

medición de la dureza.c. Determinar el efecto de singularidades geométricas en la dureza de los

materiales plásticos: espesores, bordes, aristas, curvaturas, etc.d. Determinar la capacidad de resistir cargas instantáneas de distintos materiales

compuestos en placas, sometidos a cargas de impacto.e. Analizar el comportamiento de los materiales compuestos ensayados en este tipo

de cargas, y también contra materiales convencionales.

3. Metodología experimental.

Se realizó una introducción teórica, y se habló sobre la orientación de las fibras, y la influencia que tienen en la resistencia de un compuesto, según el sentido de la aplicación de la carga. Ejemplificándolo con probetas de fibra de carbono de distintos espesores y mono orientadas, y aplicando carga de manera manual, entremedio de las fibras y en contra de ellas. Después se le realizó a las mismas probetas el ensayo de cargas dinámicas, pero de una manera demostrativa, no registrando resultados.Seguido de esto, se mostraron seis probetas cuadradas de fibra de vidrio con fibras cruzadas y de distinto espesor. Se procedió a enumerarlas y a caracterizarlas, midiendo los cuatro espesores para cada una de las seis probetas.Se montó la primera probeta en el equipo de impacto con proyectil de punta cónica, de tal manera que quedara fija y con la cara suave hacia arriba. Se elevó el proyectil hasta quedar con una energía igual a 50 Joules, y se dejó caer sobre la probeta, cuidando que el proyectil no rebotara sobre la probeta. Se verificó que la huella dejada por el proyectil fuera lo suficientemente clara, y si no era así, se volvía a ensayar nuevamente con 50 Joules, hasta que se marcara. Seguido de esto se midió la huella, tomando dos diámetros perpendiculares entre sí. Se realizó el mismo procedimiento descrito anteriormente para las otras cinco probetas.

Para el ensayo de dureza se mostró tres probetas cilíndricas de diferentes polímeros, los cuales fueron: poliamida, polipropileno y polietileno.

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Se revisaron las probetas y se les hizo una línea diametral, con un lápiz que no dejara huella. Y se marcó desde el centro y en forma radial, puntos cada 10 mm en ambos radios del diámetro marcado anteriormente. Después con el durómetro análogo se midió los puntos de dureza (Shore D), en cada punto marcado. Se realizó el mismo procedimiento para las tres probetas.

4. Características técnicas de los equipos e instrumentos utilizados.

Equipo de impacto con proyectil de punta cónica.

Durómetro AnálogoMarca: PTC InstrumentsModelo: 307LTipo: Shore D

Pie de metro Marca: Helios Inoxyd.Rango de medición: 0-160 mm.Resolución: 0.05 mm.

3 Probetas Cilíndricas, para el ensayo de dureza.- 1 de poliamida.- 1 de polipropileno.- 1 de polietileno.

6 Probetas para el ensayo de cargas dinámicas. De fibra de vidrio, con fibras cruzadas de distintos espesores.

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4. Presentación de los resultados.

Ensayo de Resistencia a las Cargas Dinámicas:

PlacaRi

(Joule/mm3)1 0,4942 0,2363 0,2844 0,2095 0,8536 0,592RI 0,445Ds 0,251

Donde: Ri = Resistencia al impacto.RI = Resistencia al impacto promedio.Ds = Desviación Estándar (dispersión).

Para la fibra de vidrio se tiene una resistencia al impacto Promedio de:

Ensayo de Dureza:

Distancia Medición

10 (mm) 20 (mm) 30 (mm) 40 (mm)

PE37 37 36 3837 37 37 337 37 36.5 37

PA79 80 81 7981 80 80 7980 80 80.5 79

PP88 89 89 9088 89 88 9088 89 88.5 90

Para la Poliamida se tiene:

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Dureza en el centro: 80.5 Puntos de dureza Shore D.

Para el Polipropileno se tiene:

Dureza en el centro: 87.5 Puntos de dureza Shore D.

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Para el Polietileno se tiene:

Dureza en el centro: 37 Puntos de dureza Shore D.

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6. Discusión de los resultados, conclusiones y observaciones.

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7. Apéndice.

a) Teoría del experimento.

Resistencia a cargas dinámicas

Una de las prestaciones mecánicas más importantes requerida de los materiales compuestos es la resistencia al impacto, para lo cual, existe una gran cantidad de formas y protocolos experimentales para su determinación. Las modalidades de conseguir una agresión de impacto, así como las configuraciones de los cuerpos resistentes son en extremo diversas. Para los materiales compuestos son muy utilizados los proyectiles perforantes, que aprovechando la acción de la fuerza de gravedad, pueden ganar energía para impactar una pieza experimental, generalmente una placa, y de esa manera estudiar la respuesta del material compuesto al impacto. Los ensayos “dinámicos” o de “impacto” entonces se realizan para determinar la respuesta de los materiales ante la acción de cargas de elevada magnitud pero que ocurren en un lapso de tiempo extremadamente corto, es decir, en un “instante”. Esta es una de las principales prestaciones mecánicas de los materiales compuestos.

Un equipo muy utilizado para este ensayo es un proyectil de punta cónica, y que por efecto del impacto, provoca una huella en la placa de material compuesto. A mayor penetración del proyectil, mayor será el tamaño de la huella, y por consiguiente mayor será la cantidad de material dañado por el impacto. Es decir, se puede estimar el volumen total de material dañado versus la energía de impacto, y de esa manera obtener una relación de absorción de energía con respecto a un volumen.

El volumen de material dañado es: er² y la energía de impacto se determina de acuerdo a la masa del proyectil y la altura desde donde es liberado. Así, una

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penetración reducida significa poca cantidad de material dañado y, por ende, alta capacidad de absorción de energía. Por el contrario, una penetración amplia significa mucho material dañado y, por ende, baja capacidad de absorción de energía. Así, la resistencia al impacto de la placa se calcula por:

Una propiedad frecuentemente medida en los materiales es la dureza, y no es otra cosa que la resistencia de un material a la deformación permanente en su superficie. La dureza de un material se mide forzando a un penetrador a aplicar una gran carga concentrada en la superficie. Los penetradores tienen distintas formas, espera, cónicos, piramidales, y se los fabrica de diversos materiales, todos muy resistentes, como el carburo de tungsteno y el diamante. Ante tal diversidad de medios para lograr deformarla superficie de un material, se han creado varias formas de medición de la dureza: Brinell, Vickers, Shore, Knoop, Rockwell. Para los plásticos las escalas más utilizadas par la determinación de la dureza es la Rockwell A y la Shore.

La dureza no puede definirse en términos de alguna propiedad específica del material, pues ésta se relaciona con las propiedades elásticas y plásticas del material, la cual es el resultado del tratamiento térmico o el trabajo efectuado sobre el mismo.

Importancia de la medición de Dureza

Las pruebas de dureza se utilizan para verificar la calidad de los metales en los tratamientos térmicos, en la recepción de los materiales durante su inspección, en la evaluación de soldaduras y en el análisis de fallas. De aquí la importancia que tiene el conocimiento de los diferentes ensayos de dureza empleados, ya sea como rutina de taller, como laboratorio de inspección o como medio para realizar investigación.

Dureza Rockwell

El método consiste en introducir un penetrador (cono de diamante o bola de acero endurecido), sobre la pieza de trabajo, mediante la aplicación sucesiva de dos cargas preestablecidas y medir la deformación o profundidad de la huella dejada por el penetrador.

Dureza Brinell

Este método de prueba utiliza un penetrador de bola de acero y una vez retirada la fuerza aplicada se mide, mediante un dispositivo óptico, el diámetro de la huella dejada por el penetrador.

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Dureza Vickers

El método consiste en hacer una huella con un penetrador de diamante, en forma de pirámide recta de base cuadrada y medir sus diagonales una vez retirada la fuerza aplicada. La dureza Vickers se define como el cociente de la fuerza de la prueba por el área de la huella.

Dureza Shore

El método consiste en introducir un penetrador cónico agusado sobre la pieza de trabajo, mediante la aplicación de una carga preestablecida baja. La profundidad de la huella dejada por el penetrador determina la dureza del material. Existe un método Shore alternativo que determina el rebote de una carga determinada cuando impacta una superficie de material. Si el rebote es poco significa que el material presenta una alta penetración y, por consecuencia, se trata de un material de baja dureza. Por el contrario, si el rebote es alto, el material fue deformado mínimamente, y se trataría de un material con mayor dureza.

b) Desarrollo de los cálculos.

Para el cálculo de la resistencia a las cargas dinámicas:

Para el cálculo de la dureza se tiene:

De los gráficos obtenidos, y a partir de una regresión lineal se tiene:

Poliamida: y = -0,025x + 80,5Polipropileno: y = 0,055x + 87,5Polietileno: y = -0,005x + 37

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c) Tabla de valores obtenidos y calculados.

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d) Gráficos obtenidos.

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e) Bibliografía.

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