INDICE

1.- OBJETIVO

2.- ALCANCE

3.- DEFINICIONES

4.- NORMAS DE REFERENCIAS

5.- CONCEPTOS TEÓRICOS DEL ENSAYO

6.- PREPARACION DE PROBETAS, DIMENSIONAMIENTO,

7.- EQUIPO E INSTRUMENTOS A UTILIZAR 8.- REALIZACIÓN DEL ENSAYO, OBTENCION DE DATOS

9.-INFORME DE RESULTADOS: CALCULOS, GRAFICAS Y FOTOGRAFIAS.

10.- CONCLUSIONES TECNICAS

11.- BIBLIOGRAFIA

12.- WEBGRAFIA

1) Objetivo

Conocer el funcionamiento de la máquina para efectuar ensayos de torsión.

Los objetivos específicos son:

1. - Que el alumno conozca las características básicas de la máquina, requeridas para efectuar ensayos de torsión, así como sus accesorios y equipo complementario.

2. - Que entienda los principios de funcionamiento y de calibración de los sistemas para la aplicación de pares de torsión (torque), mediante la aplicación de cargas y las deformaciones angulares (ángulo de torsión).

3. - Que identifique los parámetros que se miden durante la calibración de la máquina y el desarrollo de la prueba de torsión.

4.- Que conozca el uso del extensómetro y su instalación en las probetas, así como el momento de su retiro.

5. - Que analice los datos obtenidos en la calibración y determine el estado de la máquina, efectuando su ajuste, con los controles respectivos, si es necesario debido a la descalibración de la máquina.

6.- Que grafique los resultados obtenidos Torque contra deformación (ángulo de torsión), ya sea medido con los transportadores o con el extensómetro.

2) Alcance

Las prácticas del quinto semestre, son complementarias a los ensayos mecánicos destructivos abordados en el cuarto semestre y presenta un panorama general de su clasificación, limitaciones y ventajas de cada uno de ellos, así como los requerimientos para su realización. En este caso se trata de la realización completa de un ensayo de torsión en metales.

3) Definiciones

Ensayo (prueba):

Actividad que permite probar un material, pieza, componente, sistema o ensamble; mediante máquinas o equipos, en instalaciones adecuadas y por personal competente; determinando sus características, para conocerlas o verificar el cumplimiento de normas o especificaciones.

Calibración:

Conjunto de operaciones que tiene por finalidad determinar los errores de un instrumento para medir y, de ser necesario, otras características metrológicas.

Módulo de Rigidez al corte:

El módulo de rigidez al corte, también llamado módulo de cizalladora, es una constante elástica que caracteriza el cambio de forma que experimenta un material elástico (lineal e isótropo) cuando se aplican esfuerzos cortantes.

Angulo de Torsión:

Es el ángulo que se desplaza una partícula al aplicarle una fuerza perpendicular a su momento torsor.

Torque:

El par torsional es una magnitud derivada de las magnitudes fuerza y longitud. Para obtenerlo se aplica una fuerza a una distancia perpendicular de un eje de un cuerpo, tal que se genere en este cuerpo una rotación alrededor de este eje. También se le conoce como torque. Sus unidades son newton metro o Nm.

Esfuerzo Cortante:

Se produce un esfuerzo cortante cuando una fuerza se aplica tangencialmente a una superficie.

Momento Polar de Inercia:

El momento de inercia de un área en relación con un eje perpendicular a su plano se llama “momento polar de inercia” y se representa por I dada por la ecuación

I=∫ p2dA

Extensómetro:

El extensómetro fue desarrollado para su uso en la industria de generación de energía en la que las aplicaciones exigen gran precisión y repetibilidad.

El extensómetro mide la extensión de los pernos y sirve de ayuda gracias a la supervisión de programas de apriete totalmente controlados.

4) Normas de referencias

Al ser un equipo didáctico no se tiene una norma específica del ensayo.

Se consulta el Manual del Fabricante.

Para el caso de ensayos de torsión a materiales y/o productos específicos se hará referencia a las Normas o especificaciones que se indique.

5) Conceptos teóricos del ensayo

El fenómeno de torsión se presenta cuando se aplica un momento sobre el plano perpendicular al eje longitudinal de la pieza, su efecto se puede observar fácilmente ya que tiende a producir un giro con respecto al propio eje longitudinal.

Al momento aplicado se llama “torque” o momento de torsión en la mayoría de los textos se le representa por la letra “T”.

La pieza sometida a torsión se le denomina eje, árbol o flecha y tiene una gran aplicación en componentes mecánicos de máquinas industriales por lo que su diseño es muy importante para componentes de vehículos o de máquinas en general. Generalmente estos elementos son de sección circular y pueden ser macizos y huecos.

Al aplicar la carga de torsión o torque a la flecha, se produce una deformación que se puede observar fácilmente por la magnitud del ángulo de torsión.

Con la máquina de torsión se pueden realizar pruebas de torsión en ambos sentidos de giro (avance y reversa). Las probetas de torsión están normalizadas y tienen 6 mm de diámetro, con extremos cuadrados. Con la máquina se puede aplicar torques de hasta 30 N-m, sin embargo solo se aplican 24.5 N-m por seguridad. Con dados especiales adicionales para sujeción, también se puede probar alambre de hasta 700 mm de longitud.

Las probetas se colocan entre los dados de sujeción y las cargas se aplican en forma manual por medio de un volante que acciona un reductor de velocidad el cual tiene una reducción de velocidad 60:1. El torque se aplica de la flecha principal que sale del reductor, a la probeta y la probeta le trasmite a su vez la torsión a una barra de torsión (barra de calibrada, de acero tratado térmicamente) cuyo movimiento relativo se trasmite al brazo de desplazamiento (H) y hacia otra

barra que en su extremo tiene el núcleo de que se desplaza en el transductor (potencio métrico lineal (I), el cual está conectado un medidor digital (indicador digital o display). En este medidor digital se debe seleccionar el sistema de unidades de las lecturas del torque en N-m (SIU Internacional) o en lb-pie (IMP Imperial o inglés).

La rotación (ángulo de torsión de la probeta) se puede medir de tres formas diferentes.

Para efectuar lecturas precisas en el rango elástico del material, se usa la escala del transportador (B) que tiene una legibilidad o lectura mínima de 0.1° y está instalado en la flecha de entrada del reductor.

Para efectuar mediciones en el rango plástico se usa un segundo transportador de menos precisión (A) que tiene una lectura mínima de 1° está instalado en la flecha de salida del reductor.

Un tercer medidor ajustable a cero (C) se encuentra instalado también en la flecha de entrada del reductor para dar una medición general (es un contador de revoluciones) una revolución o vuelta del eje de entrada representa 6° del ángulo de torsión de la probeta, esto significa que al término del ensayo se contabiliza el número de revoluciones y se multiplica por 6, obteniendo así el número de grados que giro el eje.

El equipo cuenta con dos pares de dados para la sujeción de la probeta.

De 3/16” hexagonal para todas las probetas, excepto los hierros fundidos. No disponibles

De ½” (12.7 mm) cuadrado para probetas de hierro fundido y de acero bajo contenido de carbono.

Los dados (N) se montan en el extremo de la flecha que sale del reductor y el otro en la entrada de la barra calibrada. Los dados más grandes se usan para probetas de hierro fundido para poder alojar cualquier aspereza en los extremos de la probeta. En algunos casos es necesario usar una lima para eliminar las asperezas. Se puede usar mordazas especiales si la probeta es un alambre.

La medición precisa de los ángulos de torsión y por lo tanto de la deformación, se puede obtener usando el extensómetro de torsión.

La relación entre el esfuerzo y la deformación es uno de los conceptos fundamentales para el estudio del comportamiento de los materiales bajo la acción de cargas. De tal forma que podemos establecer que siempre que aplicamos cualquier tipo de carga se producirán deformaciones, cuando la carga aplicada es un torque la deformación producida es un ángulo de torsión y la deformación unitaria se le conoce como distorsión calculada.

6) Preparación de probetas, dimensiones y acabado

Para la realización de la práctica se requiere de la elaboración de 3 probetas de diferentes materiales (acero bajo contenido de carbono 1010 a 1018, aluminio y latón), con extremos cuadrados de 12.7 x12.7 mm y sección reducida circular al centro con radios para la atenuación de esfuerzos, por el cambio de sección (cuadrada a circular). El acabado en la sección circulares pulido para evitar concentración de esfuerzos por marcas de maquinado.

7) Equipos e instrumentos a utilizar

a) Máquina para ensayos de torsión. b) Indicador digital, para la medición del torque. c) Nivel de burbuja. d) Barra de calibración. e) Pesas de hierro fundido de 0.5, 1.0 y 2.0 kg. f) Desarmador de joyero g) Llaves Allen (hexagonales) h) Dados o mordazas para sujeción de probetas. i) Cables de conexión. j) Extensómetro mecánico

8) Pasos a seguir para la realización de la práctica y obtención de datos

Sin extensómetro

1. Se maquilaran 3 probetas de diferentes materiales tales como acero, latón y aluminio con las características antes mencionadas.

2. Ya contando con dichas probetas se seleccionará alguna de ellas, así como también alguna de las 3 máquinas de torsión existentes en el taller de ensaye de materiales.

3. Sabiendo que máquina se usara se verificara que la misma este calibrada, esto se hará de la siguiente forma:

Rápidamente se verificara que la bancada y la palanca estén calibradas con ayuda de un nivel de burbuja; ya niveladas después se colocaran de manera cuidadosa las pesas (que en total suman

5kg) en la palanca para así poder observar en el indicador digital (el cual debe estar en cero antes de comenzar, de no ser así se ajusta con ayuda del potenciómetro) el torque el cual tiene que ser 24.5 Nm, si no arroja ese valor con el desarmador joyero se ajusta a dicho valor; acabando todo eso se retira la palanca y se continua con el ensayo.

4. Se colocara la probeta en las mordazas, moviendo el carro longitudinal de manera que la probeta quede fija; es necesario revisar que no haya juego entre las probetas y las mordazas. Eliminamos el juego girando el volante de aplicación de par en sentido horario.

5. Se verificara que el transportador principal como el contador de ciclos se encuentren en 0°, ya que si no es así será necesario tomará como referencia otro valor designado.

6. Se comenzara a girar el volante en el sentido de las manecillas del reloj (sin soltar el volante para evitar que regrese el par). Cada 0.5° que marque el transportador principal se tomará la lectura de par torsional en el indicador digital para determinar el límite elástico en la probeta.

7. Las lecturas deberán serán tomadas de la siguiente manera: 0.1°, 0.15°, 0.2°, 0.25°, 0.3°, 0.35°, 0.4° hasta 6°; Después de 6°, gire el volante para aplicar 12° (2 vueltas) y anote el par torsional obtenido y así sucesivamente el doble de grados 24° y el par correspondiente, hasta la ruptura de la probeta.

Con extensómetroEn este caso el procedimiento es casi el mismo que el anterior solo con unas cuantas variantes, las cuales son:

1. Se coloca el extensómetro sobre la probeta en su sección reducida(es importante no penetrar la probeta) .el extensómetro cuenta con 2 tornillos uno se fija con la finalidad de saturar la carrera del extensómetro antes de fijarlo, de esta forma se preverá que se dañe el extensómetro.

2. Ya colocado el extensómetro se colocara en cero el indicador de caratula, girando la caratula para que así coincidan la manecilla con el cero.

3. Al girar el volante se registraran los valores de esta manera: 0.010 (milésimas) de pulgada o 0.010 (milésimas) de radián, será la escala según el tipo de extensómetro y tomar la lectura de par torsional, luego 0.020 milésimas y el par torsional correspondiente, así sucesivamente hasta saturación de la carrera del extensómetro, procediendo a retirar el extensómetro.

4. Las lecturas registradas tienen la finalidad de ayudarnos a determinar el límite elástico del material ensayado.

También se buscara la ruptura del material.

Datos obtenidos

Acero blando

Aluminio

TORQUE(Nm)

ANGULO DE TORSIÓN

(θ°)0 00 0.50 1

0.4 1.51.3 21.6 2.51.8 3

TORQUE

(N-m)

ANGULO DE TORSIÓN

(mmrad)0 0.7 0.005

1.4 0.0101.9 0.0152.8 0.020

3.5 0.025

4.7 0.030

5.5 0.035

7 0.040

7.4 0.045

8.5 0.050

8.9 0.055

10.1 0.060

10.4 0.065

10.8 0.070

11.2 0.075

11.9 0.080

12.1 0.085

12.5 0.090

12.8 0.095

13.2 0.100

13.2 0.105

13.6 0.110

13.6 0.115

14 0.120

14.1 0.125

14.7 0.130

14.8 0.135

14.8 0.140

2.2 3.52.4 42.9 4.53.4 53.2 5.53.3 64 6.5

4.3 74.6 7.54.8 85.2 8.55.2 95.6 9.55.5 105.7 10.56 11

6.1 11.56.1 126.3 12.56.3 136.5 13.56.5 146.5 14.56.5 156.4 15.56.5 166.5 16.56.5 176.5 17.56.7 186.7 18.56.7 196.8 19.56.9 206.8 20.56.8 216.9 21.57 227 22.57 237 23.57 24

9) Informe de resultados: cálculos, gráficas y fotografías.

0 5 10 15 20 25 30 3502468

10121416

Chart Title

Angulo de torsión(mm de radian)

Torq

ue (N

m)

GRAFICA ANGULO DE TOR-SIÓN VS TORQUE DEL ACE-

RO

Sobre la probeta de acero se pudo apreciar que el limite elástico se alcanzó con un valor de torque de 14.8 (N-m) con un ángulo de torsión de 0.140.

La ruptura de la probeta se dio cuando el valor del torque de 24.5 N-m descendió a 21.4 N-m con un ángulo de torsión de 912.

0 10 20 30 40 50 600

2

4

6

87

Grafica angulo de torsion vs torque del aluminio

Angulo de Torsion (mm de radian)

Torq

ue (N

m)

Sobre la probeta de aluminio se apreció que el limite elástico se alcanzo con un valor de torque de 7 (N-m) con un ángulo de torsión de 24.

La ruptura de la probeta se dio cuando el valor del torque de 8.5 N-m descendió a 2.4 N-m con un ángulo de torsión de 574°.

Fotografías de la práctica

Colocación de las pesas para la calibración de la máquina de torsión.

Colocación de la probeta a ensayar sobre las mordazas.

Aplicación de la torsión a partir del giro del volante

Probeta de aluminio fracturada después del ensayo.

Extensómetro usado en la práctica

10) Conclusiones Técnicas

Tras la realización de la práctica se pudieron cumplir el objetivo de conocer lo que es la máquina de torsión, su correcto funcionamiento de la misma y principalmente se logró aprender y comprender lo que conlleva el ensayo de torsión a diferentes probetas de materiales distintos.

Mediante el desarrollo de la práctica se fue capaz de cuantificar la torsión y el ángulo de torsión aplicado a probetas de aluminio, aceró y latón, arrojándonos un análisis de dichos materiales; por ejemplo se concluyó que por la alta ductilidad del aluminio fue necesario de la aplicación de mucho torque para poder fracturar la probeta, ya que solo se deformaba el material en forma de espiral sin romperse.

También se aprendió lo que es un extensómetro y como se usa e instala en una probeta.

Se logró reafirmar y comprobar el concepto de calibración el cual se aprendido la práctica pasada, ya que nos fue de utilidad para la correcta calibración de la máquina de torsión y así lograr un confiable ensayo de torsión.

12) Bibliografía

Ley Federal sobre Metrología y Normalización

“Resistencia de materiales” de Pytel, Andrew y Ferdinad L. Singer; Editorial Alfaomega.

“Física” de Wilson, Jerry; Anthony J. Buffa, y Bo Lou; 6ta Edición; Editorial Person.

Norma Oficial Mexicana NOM-008-SCFI-2002 Sistema General de Unidades de Medida.

12)Webgrafía

http://www.porcimex-boletin.org/newsletter/DOCUMENTOS/21/Ema-1.pdf

https://www.cenam.mx/simposio2008/sm_2008/memorias/M1/SM2008-M128-1153.pdf

Instituto Politécnico Nacional

ESIME Culhuacán

Laboratorio: Mecánica de Materiales II

Profesor: ING. Juan Francisco Fortis Roa

Practica 2: Ensayo de Torsión

Alumno: Vázquez Sánchez Ernesto

Grupo: 5MV1