PRUEBAS DE TORSIÓN EN PROBETAS DE DIFERENTE MATERIAL Jason Gómez, Stephan Obando, Jesús Meza, Cristian Igua Corporación Universitaria Autónoma de Nariño, Facultad de ingeniería [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Resumen: Las pruebas de torsión, realizadas a tres diferentes materiales (Latón, Aluminio y Cobre), requieren un proceso previo de maquinado en fresa y torno, la primera para poder realizar los terminales de sujeción a la máquina de prueba quienes deben tener una forma poligonal, el segundo maquinado se realiza para reducir el diámetro del material, al que determinamos probar. Finalizado el maquinado ubicamos nuestras probetas en la máquina de pruebas de torsión y realizamos el número de giros necesarios en el material hasta llegar al momento de su rotura, previamente tomando nota de los datos arrojados por la maquina sobre el ángulo de torsión y la fuerza aplicada en cada una de las vueltas.

1. INTRODUCCIÓN La resistencia de los materiales estudia los procesos a los que se somete un material expuesto a cargas externas, lo cual genera deformaciones, provocando de este modo la falla de la misma. El estudio de los diferentes tipos de esfuerzo (tensión, compresión, torsión y/o flexión) es de suma importancia cuando elegimos un material para la realización de una determinada estructura. En este caso vamos a analizar el comportamiento de los materiales sometidos a esfuerzos de torsión, en donde los grados de torsión del material y el torque aplicado en cada giro del volante de accionamiento nos darán una clara idea del comportamiento de éste en las diferentes situaciones a las que puede ser sometido. Para el desarrollo de la prueba usamos tres barras de diferentes materiales con 150mm de longitud y 10mm de

diámetro, fresamos sus extremos hasta llevarlos a una forma hexagonal, torneamos su superficie hasta llevarla a un diámetro de 6mm, marcamos una línea recta a través de su longitud y la montamos en los mandriles de la máquina de prueba, aquí realizamos cíclicamente la toma de datos hasta llegar al punto de rotura de la probeta, para poder realizar un posterior análisis de resultados y hacer una comparación en el comportamiento de los tres materiales al mismo tipo de esfuerzo. 2. ELABORACION DE LA PROBETA Para la elaboración de las probetas de Latón, Aluminio y Cobre, cortamos cada una de las barras hasta llevarla a una longitud de 150mm, y con el diámetro inicial de 10mm la sometimos primeramente al fresado, (si rebajamos su diámetro antes esta podía fracturarse en este maquinado), una vez soportada la sección de la barra en la

fresadora, le dimos una penetración de 0,81mm sobre la superficie longitudinal de la barra y una longitud al ranurado de 18mm cada 60 grados con lo que obtuvimos unos terminales hexagonales óptimos para la sujeción en los mandriles de la máquina de prueba de torsión.

Una vez terminado el fresado, montamos la barra en el torno en donde rebajamos su diámetro de 10mm a 6mm, con lo que obtenemos la probeta que utilizaremos para realizar la prueba.

Fig. 3 Probetas terminadas. 3. PRUEBA DE TORSIÓN

Fig. 1 Corte de barra a 150mm

Fig. 2 Medidas entregadas a la fresadora, 18mm en el eje X y 0,81mm en el eje Z

La máquina utilizada en la prueba de torsión se compone de diferentes elementos tanto para la sujeción de las probetas como para la medida de ángulos y fuerzas aplicadas en estas. Un bastidor soporta una caja reductora de movimiento accionada por un volante de accionamiento y una carcasa deslizante, en las que se montan dos mandriles, el primero unido a la caja reductora con un disco verificador de ángulo fijo, el segundo unido a la carcasa que soporta una polea conectada mediante guaya al dinamómetro con un máximo de 110,23 lb y a un disco verificador de ángulo móvil. Elaborada la probeta trazamos una línea recta a través de su longitud, con lo que verificaremos de una manera más visible la torsión a la que será sometida, posteriormente colocamos la parte hexagonal de la probeta en los mandriles de la máquina de prueba y los sujetamos de manera que no giren dentro de estos, luego alineamos la aguja de los discos verificadores de ángulo con el punto 0º, y

empezamos a dar giros al volante de accionamiento tomando nota en cada uno de los giros, el ángulo indicado en los discos y la fuerza aplicada que la verificamos en el dinamómetro.

TABLA I PRUEBA CON LATÓN

Fig. 4 Montaje de la probeta A. Prueba con Latón amarillo El latón amarillo es una aleación de Cobre (Cu) y Cinc (Zn) en proporciones de 65% y 35% respectivamente, la prueba con este material se realizó primeramente tomando datos en cada vuelta del volante de accionamiento hasta las primeras 20, luego de 5 en 5 hasta las 55 vueltas donde se apreciaba mayor resistencia al momento de ejercer el giro en el volante, reduciendo el número de giros a 1 nuevamente hasta llegar al momento de rotura de la probeta que se efectuó en el giro número 63. La línea recta trazada con anterioridad en la probeta mostro la torsión que tuvo esta la cual fue de vuelta y media hasta el punto de rotura. B. Prueba con Aluminio 1100-H14

Fig. 5 Probeta de Latón amarillo, la línea muestra la torsión hasta el punto de rotura

El tipo de aluminio utilizado en nuestra probeta es una aleación de Aluminio (Al) en un 99% máximo, con otros elementos que varían en proporción como el Cinc (Zn) en un 0,10% máximo, Manganeso (Mn) con 0,05% máximo, Cobre (Cu) 0,05 – 0,20 % y Silicio más Hierro (Si + Fe) con 0,95%

máximo. La prueba en este material se realizó de manera similar al anterior pero en esta prueba tomamos nota de los datos empezando con una vuelta y de allí de 2 en 2, hasta el punto de rotura en las 24 vueltas y media del volante de accionamiento. TABLA II PRUEBA CON ALUMINIO

C. Prueba con Cobre El cobre (Cu) es uno de los metales más dúctiles que existen, la ductilidad, es la propiedad de aquellos materiales, los cuales, bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sin por ello llegar a romperse, por ende el número de vueltas en este material será mucho mayor en comparación a los dos anteriores. TABLA III PRUEBA CON COBRE

Por el número de vueltas del volante de accionamiento podemos deducir que la probeta de Aluminio no resistió mucha torsión, y es evidente al observar la línea trazada que no llega ni a un cuarto de vuelta en el eje de la probeta.

Fig. 6 Fractura probeta de Aluminio en uno de sus extremos.

Como se observa en la tabla la probeta de cobre llego a la rotura por torsión a los 684 giros del volante de accionamiento, y los ciclos fueron variados debido al comportamiento que el material demostraba durante la prueba ya que el girar el volante no representaba mayor esfuerzo,

inicialmente los ciclos eran de 2 en 2, luego de 10 en 10, 30 en 30, 60 en 60 hasta llegar a ciclos de 100 en 100 giros del volante de accionamiento.

B. Aluminio

Fig. 9 En la gráfica del aluminio se observa un crecimiento elevado del ángulo de torsión al comienzo de la prueba Fig. 7 Rotura de la probeta de Cobre luego de 22 vueltas en su eje como lo muestra la línea trazada previamente.

C. Cobre

4. GRAFICAS A. Latón Graficaremos el comportamiento de los tres metales, tomando como valores para la gráfica al primer ángulo de torsión con respecto a la fuerza aplicada. Fig. 10 El comportamiento del cobre demuestra cómo después de aplicar una determinada fuerza la torsión sobre su propio eje acelera.

5. CONCLUSIONES

Fig. 8 Grafica del comportamiento del Latón amarillo

La resistencia que tiene un material a fallar por torsión depende directamente de sus propiedades mecánicas, un ejemplo claro fue el observar el número de vueltas que da sobre su propio eje la probeta elaborada de Cobre debido a su gran ductilidad en comparación con el Aluminio que escasamente dio un cuarto de vuelta.

El área transversal que se somete a torsión es directamente proporcional a la resistencia a la rotura, ya que una probeta con mayor área transversal, mayor número de vueltas resistirá. 6. REFERENCIAS [1] BEER, Ferdinand P. y JOHNSTON, E. Russell. Mecánica de materiales. 2 ed. México: McGraw Hill, 1999. 742 p. ISBN 958-600-127-X [2]

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FITZTGERALD, Robert W: MECÁNICA DE MATERIALES, Fondo educativo Interamericano, 3ª Edición, México 2000.