1

Instituto Politcnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y

Elctrica

Unidad Azcapotzalco

Laboratorio de Ciencia de Materiales

CARACTERIZACIN DE ACEROS GRADO MAQUINARIA AISI 1045 Y AISI

9840 A TRAVES DE ENSAYOS DE TENSIN EN PROBETAS NORMAL E

INJERTADA EN BASE A LA NORMA ASTM E8, Y SU SIMULACION EN

SOFTWARE DE ELEMENTO FINITO(MEF)

Reporte Tcnico de la prctica (1,2,3.)

Equipo/grupo: 1,2,3/4MM..)

Coordinador del equipo: Juan Prez Jolote

Abril,..mayojunio .. 2015

2

CONTENIDO

2. Resumen

La produccin y utilizacin de materiales como los aceros grado maquinaria AISI 1045 y AISI

9840 en la fabricacin de ejes solidos de turbo maquinaria del sector industrial como bombas

centrifugas multipasos,compresores,turbinas de vapor entre otros, y su recuperacin a bajo

costo a travs del mtodo de injerto, hacen necesaria su caracterizacin con ensayos de

tensin bajo normas internacionales como la ASTM E8,en condicin normal e injertada,

complementadas con la simulacin de esfuerzos a soportar en software de elemento

finito(MEF.) Los ingenieros disean la mayora de los productos manufacturados y los

sistemas de proceso necesarios para su fabricacin y su posterior uso en equipos del sector

productivo en industrias como la petrolera, papelera, se deber tener conocimiento sobre la

estructura interna y propiedades de los mismos, entre otras los esfuerzos de tensin que son

capaces de soportar, de tal forma que se seleccione el ms adecuado para cada aplicacin y

desarrollen los mejores mtodos de proceso de fabricacin de satisfactores.

De lo anterior es necesario auxiliarse de software como los del elemento finito para modelar y

validar los datos obtenidos fsicamente en los ensayos de laboratorio para estos dos aceros

grado maquinaria que son de uso comn en las diversas industrias mencionadas.

3. Introduccin

La determinacin a travs de ensayos de tensin ,bajo la norma ASTM E8,de los aceros

grado maquinaria AISI 1045 y AISI 9840, ambos grado maquinaria, en su condicin de

probeta normal y probeta injertada, siendo denominado el 1045 como acero al carbn y el

9840 como acero aleado, y su posterior modelacin de los esfuerzos de cada probeta en las

condiciones indicadas , a travs de software de elemento finito como el ANSYS versin 14.5,

muestran que las condiciones y propiedades mecnicas son confiables para soportar las

diversas necesidades de esfuerzos mecnicos que se presentan en equipos y partes

especficas como los ejes de turbo maquinaria tales como bombas centrifugas , turbinas de

vapor, compresores centrfugos entre otros.

4. Objetivo y metas cumplidas, o en su caso justificacin de no cumplimiento

Caracterizacin de esfuerzos de tensin en probeta normal e injertada bajo la norma

ASTM E8

Determinacin de esfuerzos de tensin en probetas normal de acero AISI 1045 y AISI

9840, a travs de diversos ensayos en el laboratorio de Ciencia de los Materiales

Determinacin de esfuerzos de tensin en probetas injertadas de acero AISI 1045 y

AISI 9840, a travs de diversos ensayos en el laboratorio de Ciencia de los Materiales

3

Simulacin en software de elemento finito(MEF), de esfuerzos de tensin de probeta

normal

Simulacin en software de elemento finito(MEF), de esfuerzos de tensin de probeta

injertada

Publicacin de artculo en Memorias de Congreso Internacional de la SOMIM

(Sociedad Mexicana de Ingeniera Mecnica) 2014, realizado en Juriquilla, Queretaro,

Qro en el mes de septiembre prximo pasado.

Un alumno PIFI

No fue posible incorporar un practicante profesional y cumplir algn objetivo por

los acontecimientos del IPN de todos conocidos.

5. Mtodos y materiales

Se realizaron varios ensayos de tensin en probeta normal e injertada bajo la norma ASTM E8,

obtenindose los datos ms,, mismos que fueron modelados utilizando el programa ANSYS

versin14.5 ,para simular las condiciones de los ensayos utilizando una representacin de la

geometra y las propiedades de estos aceros para alimentar al programa y as obtener los

resultados deseados, en la creacin de la geometra debemos tomar en cuenta como se

aplica fsicamente la fuerza de tensin, ya que de no considerar esto en los clculos de la

simulacin o modelacin, serian errneos en el programa ANSYS versin 14.5, ya que el

software toma datos directamente de la geometra con la que representemos nuestro

problema.

Las imgenes muestran la probeta real como la generada con el programa de dibujo de

ANSYS versin 14.5,

Imgenes de probetas

(dibujo con dimensiones de cada probeta,antes y despus del ensayo)

4

Aplicaciones del cobre

El cobre se emplea en varios componentes de coches y camiones, principalmente los

radiadores (gracias a su alta conductividad trmica y resistencia a la corrosin), frenos y

cojinetes, adems naturalmente de los cables y motores elctricos. Un coche pequeo

contiene en total 20 kg de cobre, subiendo esta cifra a 45 kg para los de mayor tamao.

Tambin los trenes requieren grandes cantidades de cobre en su construccin: 1 - 2 toneladas

en los trenes tradicionales y hasta 4 toneladas en los de alta velocidad. Adems las catenarias

contienen unas 10 toneladas de cobre por kilmetro en las lneas de alta velocidad.10

Por ltimo, los cascos de los barcos incluyen a menudo aleaciones de cobre y nquel para

reducir el ensuciamiento producido por los seres marinos.

Aplicaciones del bronce

Sus aplicaciones incluyen partes mecnicas resistentes al roce y a la corrosin, grifera,

fabricacin de muelles, cojinetes y vlvulas, elementos de la industria naval, motores,

maquinarias y ornamentacin, as como instrumentos musicales de buena calidad como

campanas, gongs, saxofones, y se la utiliza as mismo para fabricar cuerdas de pianos, arpas

y guitarras.

Aplicaciones del latn

Como no es atacado por el agua salada, se usa mucho en las construcciones de barcos, en

equipos pesqueros y marinos, y en la fabricacin de muchos instrumentos musicales de

viento, lengetas sonoras para armonios, acordeones y registros de lengetera para rganos

musicales. Adems, por su accin antimicrobiana, se usa en los pomos de las puertas en los

hospitales, que se desinfectan solos a diferencia de los metlicos.

El latn no produce chispas por impacto mecnico, una propiedad atpica en las aleaciones.

Esta caracterstica convierte al latn en un material importante en la fabricacin de envases

para la manipulacin de compuestos inflamables.

Por su fcil mecanizado y buen precio de recompra de las virutas se usa mucho para la

fabricacin de vlvulas para uso industrial.

Se utiliza en la fabricacin de hlices de barco por su resistencia a la cavitacin. Tambin se

usa en algunas cajas de ordenadores donde se sita la placa base.

5

6. Resultados

(Calculos,graficas,anlisis y descripcion de graficas)

COBRE

ESFUERZO ELASTICO EQUIVANTE Y MAXIMO PRICIPAL

Esfuerzo elstico equivalente

Esfuerzo mximo principal

6

DEFORMACIONES

Deformacin total equivalente

BRONCE

ESFUERZO ELASTICO EQUIVANTE Y MAXIMO PRICIPAL

7

Esfuerzo elstico equivalente

Esfuerzo mximo principal

DEFORMACIONES

8

Deformacin total

LATN

ESFUERZO ELASTICO EQUIVANTE Y MAXIMO PRICIPAL

Esfuerzo elstico equivalente

9

Esfuerzo mximo principal

DEFORMACIONES

Deformacin total

10

Material COBRE

C110

BRONCE

SAE 65

LATON C304

Dureza Probeta sensible 45HBN 80 HBN 75 HRA

Dureza Probeta Abrasiva HRC62

HRC 62 HRC62

Dimetro externo inicial

D1 Probeta Sensible

(cm)

5.07 5 5.08

Dimetro externo final

D1 Probeta Sensible

(cm)

5.03 4,95 5.04

Dimetro interno d

Probeta sensible (cm) 1.6 1,6 1.53

Espesor e1 Probeta

sensible (cm) 1 1 1

Espesor e2 Probeta

abrasiva Banda de

desgaste (cm)

0.87 0,87 0.87

Peso especfico (gr/cm3) 9.94 7,85 8.47

Peso real inicial (gr) 162.5 140,9 160.7

Peso real final (gr) 161.74 136,1 157.9

Peso terico inicial (gr) 168.777 138,35 156.1

Peso terico final (gr) 167.823 117,1 153.4

rea total de desgaste

(m2) 0.9533 1,09 1.78

Nmero de revoluciones 700 696 1116

Variacin lectura peso

inicial % 3.8 1,8 2.86

Variacin lectura peso

final % 3.76 13,9 2.84

11

Torque en seco (Kg-cm) 82.5 55,1 40

Torque en superficie

lubricada (Kg-cm) 35 30,6 35

Torque con arena silica

(Kg-cm) 90 67,3 60

Coeficiente de rozamiento

cintica seco 0.186 0,44 0.314

Coeficiente de rozamiento

cintica lubricada 0.204 0,24 0.276

Coeficiente de rozamiento

cintica con arena silica 0.2294 0,53 0.472

Peso perdido real prueba

(gr) 0.76 4,8 3

Tiempo total prueba (hrs.) 0,5 0,5 0.5

Coeficiente Global de

desgaste (gr/m2-h) 0.62 1,875 1.733

Torque total de la prueba

(Kg-cm) 80.2 153 135

% Torque en seco sobre

torque total 30 36 29.6

% Torque en lubricado

sobre torque total 33 20 25.9

% Torque con arena silica

sobre torque total 37 44 44.4

Coeficiente especfico

de desgaste en seco

(gr/m2-h)

0.186 0,675 0.69

Coeficiente especifico

de desgaste en

lubricante (gr/m2-h)

0.204 0,375 0.36

12

Coeficiente especifico

de desgaste en arena

silica (gr/m2-h)

0.2294 0,825 0.67

7. Conclusiones e impacto de la practica en su formacin

La produccin y utilizacin de materiales como Cobre C110, bronce SAE 65 y latn,

para convertirlos en productos acabados constituyen una parte importante de nuestra

economa actual en sectores como el automotriz y naval entre otros.

Caractersticas del Cobre C110, se emplea en varios componentes de coches y

camiones, principalmente los radiadores (gracias a su alta conductividad trmica y

resistencia a la corrosin), frenos y cojinetes, adems naturalmente de los cables y

motores elctricos. Un coche pequeo contiene en total 20 kg de cobre, subiendo esta

cifra a 45 kg para los de mayor tamao

.

Caractersticas del Bronce SAE 65, se incluye en partes mecnicas resistentes al

roce y a la corrosin, grifera, fabricacin de muelles, cojinetes y vlvulas, elementos de

la industria naval, motores, maquinarias y ornamentacin

Caractersticas del Latn, no es atacado por el agua salada, se usa mucho en las

construcciones de barcos, en equipos pesqueros y marinos, y en la fabricacin de

muchos instrumentos musicales de viento, lengetas sonoras para armonios,

acordeones y registros de lengetera para rganos musicales. Adems, por su accin

antimicrobiana, se usa en los pomos de las puertas en los hospitales.

Determinacin de los Coeficientes Globales y Coeficientes Especficos de

desgaste en materiales como Cobre C110, bronce SAE 65 y latn AISI 304 en

medios: seco, aceite y arena silica permiten tener ms informacin tcnica para su uso

y aplicacin en equipos que trabajan en estas condiciones como los cojinetes utilizados

entre el mun del cigeal y monoblock de los motores de combustin interna y turbo

maquinas por mencionar algunos, a travs de los ensayos realizados en el laboratorio

de Ciencia de Materiales de la ESIME, Unidad Azcapotzalco del IPN.

MATERIAL Cobre C110 Bronce SAE 65 Latn AISI 304

Coeficiente Global

de desgaste

(gr/m2-h)

0.62 1.733 1.4

13

Coeficiente

especfico de

desgaste en seco

(gr/m2-h)

0.186 0.69 0.349

Coeficiente

especifico de

desgaste en

lubricante

(gr/m2-h)

0.204 0.36 0.214

Coeficiente

especifico de

desgaste en arena

silica (gr/m2-h)

0.2294 0.67 0.436

El impacto de la investigacin consiste en la metodologa de modelar el desgaste

sufrido del cobre C110, Bronce SAE 65 y latn AISI 304 , en el software de elemento

finito versin 14.5, as como las imgenes que muestran los datos obtenidos y el

comportamiento de las probetas modeladas, asimismo la determinacin y manejo de

los coeficientes de desgaste por abrasin y adhesin, en unidades de gr/m2-hr, que

permite tener un parmetro ms comprensible o interpretable fsicamente y

mentalmente por los diseadores de equipos para el sector productivo.

8. Fuentes de informacion

1] Robert L. Mott. Diseo De Elementos de Mquinas, 4ta Edicin. Pearson Educacin, 2006

872 pginas. ISBN 970-26-0812-0.

[2] Nunes Rafael, Adams J.H., Howard S. Avery, et al. ASM Metals Handbook, Volume 18,

Friction, Lubrication and Wear Technology, 1992. ISBN 0-87170-380-7.

[3] Sarkar, A.D, Desgaste de metales, Ed. Noriega Limusa, 1era. Ed. Mxico 1990

[4] Nunes Rafael, Adams J.H., Howard S. Avery, et al. ASM Metals Handbook, Volume 08,

Mechanical Testing and Evaluation, 1992. ISBN 0-87170-389-0.

(PONER TODAS LAS FUENTES DE INFORMACION CONFIABLES Y SUBRAYAR Y/O

RESALTAR LO UTILIZADO PARA LA PRACTICA)

14