Ensayo de flexion.

(Andrés Roca, Ayder Rincón, David Martínez)

Resumen

En este informe se describirán los resultados que se obtuvieron al someter una probeta de acero, en este caso del acero 4140, a un esfuerzo de flexión, comparándolos posteriormente con los establecidos en la ficha técnica del material. Se explicará el proceso de torneado y redondeo que se debió realizar previo al desarrollo de la prueba. Además, se mencionarán cada uno de los pasos que se deben realizar para llevar la prueba a cabo. Después de la descripción de los resultados se darán a conocer las conclusiones que se obtuvieron a partir de la realización de la prueba.

Palabras clave:

Abstract

This report presents the results obtained by subjecting a test piece of steel, steel in this case 4140, a bending stress, then comparing them with those established in the technical specifications of the material will be described. the process of turning and rounding due prior to the development of the test performed will be explained. In addition, they mention each of the steps to be performed to carry out the test. After the description of the results will be announced the conclusions obtained from carrying out the test.

Key words:

Introducción

Las propiedades mecánicas de los materiales son las que determinan los usos o funciones que le podemos dar a este. En el caso del acero, sabemos que es un material muy común y que hace parte de la vida diaria de la gran mayoría de los habitantes del planeta. Pero no todos los aceros son iguales, es su composición respecto a ciertos elementos la que los diferencia unos de otros. Es trabajo de la ingeniería que esas composiciones se den de la forma más exactamente posible, hablando de porcentajes, ya que es este el que determina las propiedades mecánicas del material y por tanto define a qué tanto esfuerzo podemos someter al mismo. De esta manera se selecciona el material más eficiente y más adecuado para cada función.

Marco teórico

Explicaremos de forma clara y sencilla el proceso de torneado y la máquina que lo realiza.

-Torneado

Tornear es quitar parte de una pieza, mediante una cuchilla u otra herramienta de corte, para darle forma. Este proceso se realiza mediante una máquina llamada Torno.

El torneado es, posiblemente la primera operación de mecanizado (dar forma a una pieza) que dio lugar a una máquina herramienta. El torneado genera superficies de revolución (cilindros, conos, hélices).

El movimiento principal en el torneado es el de rotación y lo lleva la pieza a la que vamos a dar forma. Los movimientos de avance de la cuchilla y penetración (meter la cuchilla sobre la pieza para cortarla) son generalmente rectilíneos y los lleva la herramienta de corte.

En resumen, tenemos 3 movimientos básicos:

Movimiento de rotación: La pieza se coloca sobre un eje que la hace girar sobre sí misma.

Movimiento de Avance: La cuchilla avanza paralela a la pieza en un movimiento recto.

Movimiento de Penetración: La cuchilla penetra contra la pieza cortando parte de ella formándose virutas.

El control de estos 3 movimientos es básico para dar forma a la pieza sin errores.  

Se pueden tornear piezas de muchas formas, con rosca, engranajes, cóncavas, convexas, etc.

El torneado suele hacerse en metal, en madera o en piezas de plástico.

Torno

¿Qué es un Torno?: El torno es la máquina-herramienta que realiza el torneado de las piezas y se utiliza principalmente para operaciones de torneado rápido de metales, para madera y para pulimento. Permite mecanizar piezas de forma geométrica de revolución (cilindros, conos, hélices).

Las partes básicas de un torno son:

- Bancada: es su estructura y suele ser un gran cuerpo de fundición. Sirve de soporte y guía para las otras partes del torno.

- Eje principal y plato: sobre este eje se coloca la pieza para que gire. En un extremo lleva un eje terminado en punta que es móvil, llamado contrapunto, para sujetar la pieza por un punto, en el otro extremo se sujeta la pieza con un plato. El plato se puede cambiar mediante el husillo. El torno dispone de varios platos para la sujeción de la pieza a mecanizar y que la hará girar en torno a un eje. La pieza queda sujeta por un extremo por el plato y por el otro por la punta del contrapunto. La pieza se coloca en el plato y se mueve el contrapunto hasta que apriete la pieza.

El movimiento de corte y de la pieza lineales se hacen mediante los carros.

- Carro Portaherramientas: son los carros que permiten desplazar la herramienta de corte. Hay 3 carros diferentes:

- Carro Longitudinal o Principal: este se mueve a lo largo de la bancada o sea hacia la izquierda o a la derecha. Produce el movimiento de avance de la pieza, desplazándose en forma manual o automática paralelamente al eje del torno. Se mueve a lo largo de la bancada, sobre la cual se apoya.  Sobre este carro está montado el carro transversal.

- Carro Transversal: se mueve hacia adelante o hacia atrás perpendicular al carro principal. Es utilizado para dar la profundidad. Se mueve perpendicularmente al eje del torno en forma manual, girando la manivela de avance transversal o embragando la palanca de avance transversal automático. Sobre este carro está montado el carro orientable p carro auxiliar. 

- Carro Auxiliar o Portaherramientas: es una base giratoria a 360° y sirve principalmente para hacer conicidades o penetrar la herramienta con cierto ángulo. El carro auxiliar sólo puede moverse manualmente girando la manivela de tornillo para su avance. El buril o herramienta cortante se sujeta en la torreta portaherramientas que está situada sobre el carro auxiliar. La Torreta Portaherramientas, ubicada sobre el carro auxiliar permite montar varias herramientas en la misma operación de torneado y girarla para determinar el ángulo de incidencia en el material. Todo el conjunto de los carros, se apoya en una caja de fundición llamada Delantal o Carro Portaherramientas, que tiene por finalidad contener en su interior los dispositivos que le transmiten los movimientos a los carros.

- Caja Norton: sirve para ajustar las revoluciones de las velocidades mediante unas palancas que accionan un conjunto de engranajes que se encuentran en el interior de la caja. La velocidad a la cual gira la pieza de trabajo en el torno es un factor importante y puede influir en el volumen de producción y en la duración de la herramienta de corte. Una velocidad muy baja en el torno ocasionará pérdidas de tiempo; una velocidad muy alta hará que la herramienta se desafile muy pronto y se perderá tiempo para volver a afilarla. Por ello, la velocidad y el avance correctos son importantes según el material de la pieza y el tipo de herramienta de corte que se utilice.

Hoy en día los tornos más modernos se llaman Tornos CNC o por control numérico. Estos tornos utilizan un software o programa de ordenador con datos alfanuméricos según los ejes XYZ y que es capaz de controlar todos los movimientos del torno para crear lo pieza definida mediante el programa. El ordenador que lleva incorporado controla las velocidades y las posiciones.

Deformación causada por flexión.

El comportamiento de cualquier barra deformable sometida a un momento flector es al que el material en la posición inferior de la barra se alarga y el material en la porción superior se comprime. En consecuencia, entre esas dos regiones existe una superficie neutra, en la que las fibras longitudinales del material no

experimentan un cambio de longitud. Además, todas las secciones transversales permanecen planas y perpendiculares al eje longitudinal durante la deformación.

Máquina universal de ensayos

En ingeniería se denomina máquina universal a una máquina semejante a una prensa con la que es posible someter materiales a ensayos de tracción y compresión para medir sus propiedades. La presión se logra mediante placas o mandíbulas accionadas por tornillos o un sistema hidráulico. Esta máquina es ampliamente utilizada en la caracterización de nuevos materiales. Así, por ejemplo, se ha utilizado en la medición de las propiedades de tensión de los polímeros.

La Máquina Universal de Ensayos, ha sido desarrollada pensando en las necesidades de ensayos de laboratorio de un amplio sector de la investigación e industria en general, haciendo posible la realización de una gran variedad de ensayos en materiales tales como plásticos, textiles, maderas, fibras, papel, vidrio y elementos metálicos diversos. 

El sistema de transmisión de carga por medio de tornillos de bolas accionados por un motor servo-controlado permite la aplicación de la fuerza con excelente regulación en su velocidad de avance y las celdas de carga intercambiables aseguran la precisión en la medición de la fuerza, lo que garantiza la alta confiabilidad y eficiencia, gracias a una confortable operación automática sistematizada que además de exactitud, precisión y rapidez óptimas, registra y archiva todos los parámetros de las muestras y todos los datos del ensayo, en tiempo real, incluidas las facilidades para impresión de registros y reportes, la consulta posterior y la realización de estadísticas de ensayos realizados. 

La operación automática sistematizada, desarrollada bajo sistema operativo Windows, de última tecnología permite realizar ensayos según las exigencias de norma, en tiempos óptimos facilidades de impresión, consulta y transferencia de información y resultados de ensayo. 

Flexión mecánica

En ingeniería se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. El término "alargado" se aplica cuando una dimensión es dominante frente a las otras. Un caso típico son las vigas, las que están diseñadas para trabajar, principalmente, por flexión. Igualmente, el concepto de flexión se extiende a elementos estructurales superficiales como placas o láminas.

El rasgo más destacado es que un objeto sometido a flexión presenta una superficie de puntos llamada fibra neutra tal que la distancia a lo largo de cualquier curva contenida en ella no varía con respecto al valor antes de la deformación. El esfuerzo que provoca la flexión se denomina momento flector.

Acero AISI-SAE 4140

-Descripción: es un acero medio carbono aleado con cromo y molibdeno de alta templabilidad y buena resistencia a la fatiga, abrasión e impacto. Este acero puede ser nitrurado para darle mayor resistencia a la abrasión. Es susceptible al endurecimiento por tratamiento térmico.

-Resistencia: Estos aceros son utilizados para fabricar piezas de alta resistencia a la tracción, compresión y torsión.

-Maquinado: Este acero se comporta muy bien en el acabado superficial y debido al % de Cr que posee, su resistencia a la corrosión es notoriamente mayor.

-Soldadura: No recomendable para producir piezas mediante aporte de soldadura, las zonas cercanas a los cordones de unión tienden a templarse por lo tanto aumenta la fragilidad.

-Ductilidad: Buenos resultados con piezas estampadas y embutidas, solo realizando estos procesos en caliente. Recomendable en piezas forjadas y aconsejable en elaboración de herramientas.

-Tratamiento Térmico: Gran templabilidad tanto en capas superficiales como en el núcleo. Para obtener mayor dureza deben ser cementados y templados al aceite. Recomendado para piezas de tamaño mediano. se austeniza a temperatura entre 830 - 850 °C y se da temple en aceite. El revenido se da por dos horas a 200°C para obtener dureza de 57 HRc y si se da a 315°C la dureza será de 50 HRc. Para recocido se calienta entre 680 – 720°C con dos horas de mantenimiento, luego se enfría a 15°C por hora hasta 600°C y se termina enfriando al aire tranquilo. Para el alivio de tensiones se calienta entre 450 – 650°C y se mantiene entre ½ y 2 horas. Se enfría en el horno hasta 450°C y luego se deja enfriar al aire tranquilo.

-Propiedades físicas:

-Densidad 7.85 g/cm3 (0.284 lb/in3)

-Propiedades Químicas:

-0.38 - 0.43% C

-0.75 – 1.00 % Mn

-0.80 – 1.10 % Cr

-0.15 – 0.25 % Mo

-0.15 – 0.35 % Si

-0.04 % P máx

-0.05 % S máx

-Propiedades Mecánicas:

Dureza 275 - 320 HB (29 – 34 HRc)Esfuerzo a la fluencia 690 MPa (100 KSI)Esfuerzo máximo 900 - 1050 MPa (130 - 152 KSI)Elongación mínima 12 %Reducción de área mínima 50 %

Procedimiento

-Para empezar, cortamos la barra de acero de tal manera que quede con una longitud de 30 cm. Debido a que el corte no es totalmente liso. Torneamos la barra en el torno hasta que el área superficial quede totalmente recta. Luego con ayuda de una lija alisamos completamente esta área.

-Luego realizamos un proceso de cilindrado justo en la mitad de la barra, de tal manera que a 10cm de esta le reduzcamos el diámetro hasta que este sea de 13mm. Es importante que esta parte esté justo en el medio, es decir, 5cm desde la mitad hacia la derecha y 5cm hacia la izquierda. Posteriormente hacemos una marca justo en el medio de la probeta y también hacemos una marca o línea a 2.5cm desde la mitad hacia cada lado.

-Pasamos a la máquina universal de ensayos, en esta ubicamos la probeta para realizar el ensayo de flexión. Se programa la máquina para determinar el valor del esfuerzo al cual será sometido, que será el establecido en la ficha técnica. Esto se hace con el fin de comprobar si en verdad el acero resiste lo que está estipulado en la ficha.

-Activamos la máquina para que haga el esfuerzo sobre la probeta, esperamos unos momentos observando el comportamiento del material, luego desactivamos la máquina. Retiramos la probeta.

-Hacemos una medición de las dimensiones de la probeta para comprobar si esta presentó una flexión o se deformó, o si resistió el esfuerzo.

Análisis de resultados

Generalmente el máximo esfuerzo normal está dado a través de una ecuación que relaciona la masa del objeto con el momento de inercia del mismo. En este caso, y como se había mencionado antes, el máximo esfuerzo está entre 900 y 1050 MPa (Mega pascales)

Después de realizada la prueba, la probeta presentó una pequeña curvatura, cuya medida corresponde a 3mm. Esto quiere decir que el acero no soportó todo el esfuerzo que debía. Esta medida es mínima, pero se puede decir esto ya que es una simple prueba, en casos en los que ya se esté aplicando el material para algún trabajo específico, puede ser importante saber si en verdad el material aguantará todo lo que deba, debemos tener valores exactos ya que esto puede representar una falla en alguna máquina o estructura, y esto a su vez, representa riesgo para las vidas de los operarios o cualquiera que se encuentre cerca.

Longitud de la deformación de la probeta

-3mm

Conclusiones

-La probeta presentó deformación en el ensayo de flexión. Esta fue de 3mm, es decir que respecto a la posición de equilibrio en la que estaba inicialmente. Luego del ensayo, su centro quedó desplazado 3 cm hacia abajo.

-Es fundamental el conocimiento de las propiedades mecánicas de un material, en especial los más utilizados en la ingeniería, uno de los cuales, y se podría decir que el principal, es el acero. Esto es necesario para que el diseñador pueda desarrollar las mejores soluciones a las situaciones que se presentan en la cotidianidad.

-El ensayo de flexión nos permite conocer el comportamiento que tienen los materiales ante diferentes circunstancias. Podemos así también comprobar las propiedades mecánicas del mismo.