Ensayo Traccion Materiales Compuestos [PDF]

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Ensayo de Tracción de Materiales Compuestos.

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ENSAYO DE TRACCIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS Jairo Jaque [email protected]

aplicada, las máquinas están conectadas a un ordenador que registra el desplazamiento y la carga leída.

RESUMEN: se realizó un ensayo de tracción de materiales compuestos para ello utilizamos una probeta normalizada en base a la norma ASTM D 3039-08,los resultados obtenidos no son muy agradables ya que estas probetas no soportaron cargas superiores a 135kg el ensayo se lo realizo con ayuda de una maquina universal. PALABRAS CLAVE: tensión, deformación nominal, elongación, materiales compuestos.

1 INTRODUCCIÓN El ensayo a tracción es la forma básica de obtener información sobre el comportamiento mecánico de los materiales. Mediante una máquina de ensayos se deforma una muestra o probeta del material a estudiar, aplicando la fuerza uniaxialmente en el sentido del eje de la muestra. A medida que se va deformando la muestra, se va registrando la fuerza (carga), llegando generalmente hasta la fractura de la pieza. Así pues, el resultado inmediato es una curva de carga frente a alargamiento, que transformados en tensión y deformación, en función de la geometría de la probeta ensayada, aportan una información más general.

Figura 1. Máquina de ensayo de tracción La probeta a ensayar se sujeta por sus extremos al cabezal móvil de la máquina de ensayos y a la célula de carga, respectivamente. Las mordazas se sujeción deben mantener firme a la muestra durante el ensayo, mientras se aplica la carga, impidiendo el deslizamiento. A su vez, no deben influir en el ensayo introduciendo tensiones que causen la rotura en los puntos de sujeción. Para que el ensayo se considere válido la rotura debe ocurrir dentro de la longitud calibrada, en la parte central de la probeta. A partir de las dimensiones iniciales de la probeta, se transforman la fuerza en tensión y el alargamiento en deformación, que nos permite caracterizar las propiedades mecánicas que se derivan de este ensayo.

2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL Comparar las diferentes deformación de las tres probetas.

graficas

tensión

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS . Conocer como actúan las probetas luego de aplicar una fuerza perpendicular a la superficie. Analizar los resultados de las probetas hechas de resina y fibra.

3.2 TENSIÓN (NOMINAL) [1]

3 FUNDAMENTO TEÓRICO

La tensión nominal σ se define mediante la reacción

3.1 MAQUINA DE ENSAYO DE TRACCION

(1)

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

1

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. En donde F es la carga instantánea aplicada perpendicularmente a la sección de la probeta, en unidades de newton (N) o libras fuerzas (Ibf), y A0 es el área de la sección original antes de aplicar la carga (m2 o pulg2). Las unidades de tensión nominal (de aquí en adelante denominada simplemente tensión) son libras fuerzas por pulgada cuadrada, psi (unidades del sistema U.S.) o bien mega pascales, Mpa (SI); 1Mpa = 106 N/M2.

- Zona elástica: La región a bajas deformaciones (hasta el punto P), donde se cumple la Ley de Hooke: σ = E ε (E = modulo elástico). - Zona plástica: A partir del punto P. Se pierde el comportamiento lineal, el valor de tensión para el cual esta transición ocurre, es decir, se pasa de deformación elástica a plástica, es el Límite de Elasticidad, σy, del material. Después de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la deformación en los metales aumenta hasta un máximo, punto M, Resistencia a tracción (RT ó TS), y después disminuye hasta que finalmente se produce la fractura, punto F. La Resistencia a Tracción es la tensión en el máximo del diagrama tensión-deformación nominales.

3.3 DEFORMACIÓN (NOMINAL) [1]

(2) En donde l0 es la longitud original antes de aplicar la carga, y li es la longitud instantánea. Algunas veces la cantidad li-l0 se indica simplemente mediante Δl, y es el alargamiento producido por la deformación, o cambio en la longitud en un instante determinado, con respecto a la longitud inicial. La deformación nominal(a partir de ahora llamada simplemente deformación) no tiene unidades, aunque a menudo se utiliza pulgadas por pulgadas o bien metros por metro; el valor de la deformación obviamente es independiente del sistema de unidades. .

Esto corresponde a la máxima tensión que puede ser soportada por una estructura a tracción; si esta tensión es aplicada y mantenida, se producirá la rotura. Hasta llegar a este punto, toda la deformación es uniforme en la región estrecha de la probeta. Sin embargo, cuando se alcanza la tensión máxima, se empieza a formar una disminución localizada en el área de la sección transversal en algún punto de la probeta, lo cual se denomina estricción, y toda la deformación subsiguiente está confinada en la estricción. La fractura ocurre en la estricción. La tensión de fractura o bien de rotura corresponde a la tensión en la fractura.

3.4 GRÁFICA TENSIÓN VS DEFORMACIÓN 3.5 DEFORMACIÓN ELÁSTICA [2] Definimos elasticidad como la propiedad de un material en virtud de la cual las deformaciones causadas por la aplicación de una fuerza desaparecen cuando cesa la acción de la fuerza. "Un cuerpo completamente elástico se concibe como uno de los que recobra completamente su forma y dimensiones originales al retirarse la carga". ej: caso de un resorte al cual le aplicamos una fuerza. El grado con que una estructura se deforma depende de la magnitud de la tensión impuesta. Para muchos metales sometidos a esfuerzos de tracción pequeños, la tensión y la deformación son proporcionales según la relación. Esta relación se conoce con el nombre de ley de Hooke, y la constante de proporcionalidad, E (MPa) es el módulo de elasticidad, o módulo de Young.

Figura 2. Grafica tensión vs deformación. Tomado de

http://jmcacer.webs.ull.es/CTMat/Practicas %20Laboratorio_archivos/traccion.pdf

Cuando se cumple que la deformación es proporcional a la tensión, la deformación se denomina deformación elástica; al representar la tensión en el eje de coordenadas en función de la deformación en el eje de abscisas se obtiene una relación lineal:

Curva típica de tracción hasta la fractura, punto F. La resistencia a la tracción TS está indicada en el punto M. Los insertos circulares representan la geometría de la probeta deformada en varios puntos de la curva. En la curva podemos distinguir dos regiones:

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Figura 4. Grafica de la deformación elástica a plástica. Tomado de http://jmcacer.webs.ull.es/CTMat/Practicas %20Laboratorio_archivos/traccion.pdf.

Figura 3. Grafica de la deformación elástica. Tomado de http://jmcacer.webs.ull.es/CTMat/Practicas %20Laboratorio_archivos/traccion.pdf. La pendiente de este segmento lineal corresponde al módulo de elasticidad E. Este módulo puede ser interpretado como la rigidez, o sea, la resistencia de un material a la deformación elástica. Cuanto mayor es el módulo, más rígido es el material, o sea, menor es la deformación elástica que se origina cuando se aplica una determinada tensión.

(a) tracción típica de un metal que muestra las deformaciones elástica y plástica, el limite proporcional P y el limite elástico σy, determinado como la tensión para una deformación plástica del 0.002. (b) Curva de tracción típica de algunos aceros que presentan el fenómeno de la discontinuidad de la fluencia.

3.6 DEFORMACIÓN PLÁSTICA [2]

3.7 MATERIALES COMPUESTOS

Definimos como plasticidad a aquella propiedad que permite al material soportar una deformación permanente sin fracturarse. Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada trata de deformarse en el sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de tracción, la fuerza se aplica en dirección del eje de ella y por eso se denomina axial, la probeta se alargara en dirección de su longitud y se encogerá en el sentido o plano perpendicular. Aunque el esfuerzo y la deformación ocurren simultáneamente en el ensayo, los dos conceptos son completamente distintos.

Por ejemplo una fibra es extraída de la hoja de la cabuya (Furcraea Andina), la misma que es una planta que crece en forma silvestre o cultivada en los valles y laderas de los Andes y pertenece a la familia de las agaváceas. La cabuya es ampliamente distribuida en la sierra del Ecuador, esta se cultiva en los valles y en las estribaciones de la cordillera para la obtención de su fibra. Se trata de una planta arrocetada que alcanza hasta 1,5 metros de altura en su parte vegetativa y si se incluye la estructura reproductora, puede alcanzar hasta los 15 metros. La cabuya es una fibra resistente, durable y áspera, sus propiedades mecánicas se muestran en la Tabla.

Para la mayoría de los materiales metálicos, la deformación elástica únicamente persiste hasta deformaciones de alrededor de 0.005. A medida que el material se deforma más allá de este punto, la tensión deja de ser proporcional a la deformación y ocurre deformación plástica, la cual es permanente, es decir no recuperable.

Tabla 1 Propiedades mecánicas de la fibra de cabuya

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. Tomando en cuenta que la resistencia a la tracción de la resina poliéster oscila entre 40 y 90 MPa, la fibra de cabuya constituye una buena opción para la elaboración de materiales compuestos. Además, en nuestro país se encuentran disponibles diferentes tipos de fibras y tejidos elaborados con fibra de cabuya, los cuales son utilizados principalmente en aplicaciones artesanales y podrían usarse en la elaboración de materiales compuestos. Básicamente existen dos tipos de hilos de cabuya, el hilo fino y el hilo grueso. Los diámetros aproximados de estos hilos son 0,9 mm y 1,5 mm. Por esta razón, y debido a la caracterización mecánica que requieren las probetas de un material compuesto, en el proyecto PIC-08-493 se trabajó con fibra fina de cabuya, ya que el hilo grueso dificulta el procesamiento del material dentro de los moldes. Asimismo, existen diferentes tipos de tejidos de fibra de cabuya, los más utilizados son conocidos con los nombres de tejido grueso, normal y fino.

Con respecto al módulo de elasticidad también existió un incremento en relación al módulo de la matriz de resina poliéster, siendo los materiales de mayor fracción volumétrica los que muestran un mayor aumento Estos resultados se complementan con los de elongación a la ruptura. En este caso, el aumento en la rigidez del material se tradujo en la disminución de su capacidad de alongarse.

4 MATERIALES Se utilizó como refuerzo pelos de vaca y tejido de cabuya. Como matriz del material compuesto se empleó resina poliéster insaturada, que a su vez fue diluida con estireno monómero. Como iniciador del proceso de curado de la resina se utilizó cobalto al 10% y como catalizador peróxido de metil-etil cetona (MEKP). Finalmente, como agente de desmóldelo se usó cera desmoldante Simoniz.

5 PREPARACIÓN DE PROBETAS Elaboración de probetas de material compuesto, se fabricaron moldes de tres piezas en acero inoxidable A-240-TP.304 para elaborar las probetas de material compuesto para los ensayos de tracción de acuerdo a las normas ASTM D 3039-08, las dimensiones nominales fueron: Las probetas de material compuesto se obtuvieron mediante el proceso de estratificación manual. La resina poliéster fue diluida con estireno monómero para obtener una solución con el 10% v/v de este solvente, con la finalidad de reducir la viscosidad de la resina y así mejorar la mojabilidad de las fibras con la matriz. Se adicionó octoato de cobalto a la resina diluida en una concentración volumétrica del 0.5% y se mezcló dicha solución con las fibras cortas de abacá. Posteriormente se agregó MEKP en un volumen equivalente al 1.5% de la resina diluida y se obtuvo la mezcla final de material compuesto que fue depositada en los moldes previamente recubiertos con cera desmoldante.

Figura 4. Tipos de tejido de cabuya a)grueso b)normal c)fino

Figura 5. Comportamiento mecánico de los materiales compuestos

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. Tabla 2 Dimensiones de probetas

PELOS DE TEJIDO DE PROBETAS VACA CABUYA Largo (mm) 350 Ancho de sección mayor(mm) 35 Largo de sección mayor (mm) 100 Ancho de sección interior normalizado(mm) 25 Largo de la sección interior(mm) 150 Espesor(mm) 4,2

FIBRA DE CABUYA 350 25 100 25 160 3,8

25 2,5

6 PROCEDIMIENTO 6.4 6.1

Figura9. Medir la mitad de la probeta

6.5

Figura 6. Colocar las mordazas y las alzas en la maquina universal

6.2

Figura 7. Medir las dimensiones de las probetas

6.3 Figura 10. Dar una medida de 2,5 cm a cada lado para ubicar el deformímetro.

6.6

Figura 11. Con una punta y martillo realizar unos puntos

Figura 8. Colocar las alzas en ambas partes tanto en la posterior como en la inferior

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6.7

Figura 12 La longitud total de esto será 50 mm distancia de ambos lados

6.8 Figura 15. Ubicamos el deformimetro en los puntos anteriormente realizados.

6.11

Figura 13 La probeta se ingresa desde la parte superior de la maquina universal

6.9

Figura 16. Dar una precarga y enceramos el deformimetro.

6.12 Figura 14. Ajustar en ambos lados las mordazas Colocar el deformimetro en la parte de la probeta de menor sección.

6.10

Figura 17. Echamos a funcionar la máquina y procedemos a tomar los datos

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6.12

Figura 18. Observamos lo que ocurre con la probeta

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7 RESULTADOS 7.1 PROBETA DE PELOS DE VACA

En donde la deformación máxima fue de 0.084mm Tabla 3. Fuerzas y deformación de probeta de

Carga (kg)

Carga en (N)

Área(mm 2)

Tensión(N/mm 2)

Deformación(m m)

20

196

105

1,86666667

0,025

40

392

105

3,73333333

0,055

54

529,2

105

5,04

0,07

Deformació n nominal 0,0001562 5 0,0003437 5 0,0004375

Módulo de Elasticida d 74,666666 7 67,878787 9 72

pelos de vaca

Carga (kg) 5 10 15 20 25 30 35 40 135

Carga Deformación 20 kg 0,025 40 kg 0,055 54kg 0,070 Carga en Área (N) (mm2) 49 95 98 95 147 95 196 95 245 95 294 95 343 95 392 95 1323 95

7.2 PROBETA TEJIDO FIBRAS DE CABUYA En donde la deformación máxima es igual a 0,84. Tabla 5. Resultados de probeta de tejido de

Tensión (N/mm2) 0,51578947 1,03157895 1,54736842 2,06315789 2,57894737 3,09473684 3,61052632 4,12631579 13,9263158

Deformación (mm) 0,01 0,02 0,027 0,037 0,051 0,062 0,075 0,084 0,084 cabuya.

Tabla 4. Resultados de probeta de pelos de vaca.

8

Módulo de Elasticidad 51,57894737 51,57894737 57,30994152 55,76102418 50,56759546 49,91511036 48,14035088 49,12280702 165,7894737

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Figura 19. Gráfica Tensión vs deformación (probeta pelo de vaca)

Figura 20. Gráfica deformación (probeta pelo de

Tensión vs tejido de vaca)

7.3 PROBETA FIBRAS DE CABUYA Tabla 5. Resultados de cabuya.

CAR GA (kg) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

CARG ARE A A (N) (mm2 ) 0 62,5 196 62,5 392 62,5 588 62,5 784 62,5 980 62,5 1176 62,5 1372 62,5 1568 62,5 1764 62,5 1960 62,5

probeta de tejido de

TENSIÓ DEFORMACI DEFORMACI MODULO DE N ÓN ON ELASTICIDA (N/mm2 (mm) NOMINAL D ) 0 0,00124 0,00000775 0 3,136 0,0025 1,5625E-05 200704 6,272 0,00376 0,0000235 266893,617 9,408 0,0051 3,1875E-05 295152,941 12,544 0,00624 0,000039 321641,026 15,68 0,0075 4,6875E-05 334506,667 18,816 0,0088 0,000055 342109,091 21,952 0,0102 0,00006375 344345,098 25,088 0,01124 0,00007025 357124,555 28,224 0,0125 7,8125E-05 361267,2 31,36 0,0137 8,5625E-05 366248,175 9

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220 240 260 280 300 320 340

2156 2352 2548 2744 2940 3136 3332

62,5 62,5 62,5 62,5 62,5 62,5 62,5

34,496 37,632 40,768 43,904 47,04 50,176 53,312

0,0151 0,0162 0,0175 0,0188 0,0201 0,0212 0,0225

9,4375E-05 0,00010125 0,00010938 0,0001175 0,00012563 0,0001325 0,00014063

365520,53 371674,074 372736 373651,064 374447,761 378686,792 379107,556

Figura 20. Gráfica Tensión vs deformación (probeta pelo de tejido de vaca)

8 CONCLUSIONES Las gráficas tienden a incrementar ya que la tensión va aumentado directamente con la deformación este tipo de graficas es común en los materiales compuestos, en donde las dos primeras probetas no soportan mucha carga ya sea por motivo de la mala elaboración de la probeta una mala mezcla de la resina con las fibras. La tercera probeta soporta una carga mayor llegando a 340 kg mientras que las demás apenas llegaron a 54kg y 135kg Durante el ensayo se pudo observar que no existía una buena compatibilidad entre las fibras y la resina.

9 REFERENCIAS [1]http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r6 8092.PDF [2]http://jmcacer.webs.ull.es/CTMat/Practicas %20Laboratorio_archivos/traccion.pdf

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