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1. INTRODUCCIÓN El par de torsión es un momento que tiende a torcer un elemento sobre su eje longitudinal. Su efecto es de gran importancia en el diseño de ejes o arboles de transmisión utilizados en vehículos y maquinaria. Muchos materiales cuando están en uso están sujetos a fuerzas o cargas. En tales condiciones es necesario conocer las características del material para diseñar el instrumento donde va a usarse de tal forma que los esfuerzos a los que vaya a estar sometido no sean excesivos y el material no se fracture. En este ensayo se muestra experimentalmente el comportamiento mecánico de un eje frente a un par de torsión para diferentes tipos de materiales, se mide el ángulo de torsión y el par de torsión necesario para lograr este ángulo en su comportamiento en la región elástica y la región plástica.

2. OBJETIVOS



El principal objetivo de este laboratorio es experimentar y evaluar el comportamiento mecánico de un eje bajo la aplicación de un par de torsión.

2.1.OBJETIVOS ESPECEFICOS



Determinar el ángulo de torsión y el par necesario para lograr ese ángulo.



Utilizar los datos obtenidos en el experimento para trazar la curva de la región elástica y de la región plástica.



Comprobar los datos obtenidos en el experimento con los datos con el comportamiento típico del material sometido a torsión.

3. MATERIALES 

Máquina de pruebas de torsión.



Computadora.



Vernier

4. FUNDAMENTO Y FORMULAS 4.1.TORSION

La torsión en sí se refiere a un desplazamiento circular de una determinada sección transversal de un elemento cuando se aplica sobre éste un momento torsor o una fuerza que produce un momento torsor alrededor del eje. La torsión se puede medir observando la deformación que produce en un objeto un par determinado. Por ejemplo, se fija un objeto cilíndrico de longitud determinada por un extremo, y se aplica un par de fuerzas al otro extremo; la cantidad de vueltas que dé un extremo con respecto al otro es una medida de torsión.

Ilustración 1 TORSION

Ilustración 2 TORSION 4.2.MOMENTO POLAR DE INERCIA(J)

El momento polar de inercia muestra la habilidad de una viga de sección circular o muestra a resistir la torsión. Un momento polar alto demuestra que la muestra puede resistir mayor torsión. El diámetro del haz determina el momento polar de inercia. Un diámetro mayor da un mayor momento polar de inercia.

4.3.

TORQUE(T)

El torque es la fuerza aplicada en una palanca que hace rotar alguna pieza; al aplicar fuerza en el extremo de una llave se aplica un torque que hace girar las tuercas o engranes a los que esté ligada tal pieza. La fuerza de torsión (par) al final de una muestra es el momento de fuerza en el brazo de par:

� = � ∗ � ���� � �� �����𝑑𝑑 � �����

Ilustración 3 TORQUE 4.4.

ESFUERZO CORTANTE (Τ)

El esfuerzo cortante, de corte, de cizalla o de cortadura es el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo una viga o un pilar. Se designa variadamente como T, V o Q. El esfuerzo cortante teórico para una barra solida circular es:

4.5.

DEFORMACIÓN CORTANTE (Γ)

La deformación cortante teórica para una barra solida circular es:

4.6.MÓDULO DE RIGIDEZ O MÓDULO DE CORTE (G)

El módulo de rigidez es una constante elástica que caracteriza el cambio de forma que experimenta un material elástico (lineal e isótropo) cuando se aplican esfuerzos cortantes. El módulo de cizalladura o módulo de rigidez es una medida de la rigidez del material cuando está en ‘corte’, cuando se tuerce. Es una relación del esfuerzo de corte y la deformación por corte del material:

4.7.EELASTICIDAD Y PLASTICIDAD (REGIÓN ELÁSTICA Y REGIÓN PLÁSTICA)

Un material es perfectamente elástico si se puede comprimir o estirar (deformar) en cualquier cantidad, y luego volver a su forma original cuando se elimina la tensión. Sus átomos no se han movido, pero los enlaces entre ellos se han estirado y luego han vuelto a su posición original. Un material es plástico si puede comprimirse o estirarse (deformarse) en una pequeña cantidad, y luego no volver a su forma original cuando se elimina la tensión. Sus átomos se han movido y no regresarán. La mayoría de los materiales tienen propiedades elásticas y plásticas. Cuando se estresan por una pequeña cantidad, se comportan como un material elástico, hasta su límite elástico. Cuando están estresados por una gran cantidad (que los lleva más allá de su límite elástico), se comportan como un material plástico. El caucho y los materiales flexibles generalmente tienen más elasticidad que los materiales más frágiles como el metal o la cerámica.

Ilustración 4 PUNTOS CRÍTICOS DEL ENSAYO DE TORSIÓN Límite de elasticidad superior e inferior - Acero normalizado con bajo contenido de carbono

Ilustración 5 TIPO DE GRAFICA DEL ENSAYO DE TORSION

Normalmente, los materiales tienen un punto de fluencia, en el límite de su región elástica. El acero suave normalizado (bajo contenido de carbono) tiene un límite elástico superior y un elástico inferior. La muestra ‘cede’ en el punto A y la tensión cae inmediatamente a un valor inferior, el punto B. La curva de esfuerzo y deformación sigue una forma similar a otros materiales. 4.1.1 EQUIPO DE TORSION

a. La máquina de prueba de torsión (SM1001): Es una máquina a escala de laboratorio que se adapta fácilmente a una de sobremesa o un banco y prueba muestras de diferentes tipos de metal. Se

muestra el par (esfuerzo) y giro (cepa) en un espécimen para encontrar el límite de elasticidad y módulo de rigidez para el metal. La máquina también puede probar muestras a la destrucción de encontrar su punto de falla.

b. El medidor de ángulo digital (DA1): Calcula y muestra el ángulo de torsión en el extremo de caja de cambios de la muestra. Este medidor convierte automáticamente la cantidad de vueltas del árbol de salida de caja de cambios en un ángulo en grados.

c. La carga Digital Meter (DL1): Calcula y muestra el par de torsión en la medición de la altura de par. Este medidor multiplica automáticamente el conocido longitud del brazo de torsión por la fuerza de un sensor de fuerza célula de carga. Este medidor almacenará la lectura máxima de torque que se mide.

d. Torsiómetro: Este es un instrumento de precisión que se ajuste a los especímenes de 6 mm de diámetro para medir el desplazamiento angular (torsión) durante un conocido 'longitud de referencia' de 50 mm. Cuenta con un indicador digital que puede conectarse a VDAS para la adquisición de datos.

e. Especímenes: Sirve como muestra en el uso con la máquina de ensayo de torsión, estos pueden ser de diferentes aceros de grado, de hierro fundido, o de aleación de zinc de cobre (latón).

f. Sistema de Adquisición de Datos Versátil (VDAS): 

Es un producto de dos componentes (hardware y software)



Automáticamente registrar los datos de sus experimentos.



Calcular automáticamente los datos para usted.



Ahorrar tiempo.



Reducir los errores.



Crear gráficos y tablas de los datos.



Exportar los datos para su procesamiento en otro software.

Ilustración 6 MÁQUINA DE PRUEBA DE TORSIÓN

Ilustración 7 VERNIER

4.1.2.

NORMAS PARA EL ENSAYO DE TORSIÓN DEL ACERO

4.1.3. ASTM E143

ASTM E143-02 es un método de prueba para determinar el módulo de corte de un material. Esta es una prueba de torsión básica que se usa comúnmente para determinar las propiedades básicas del material. Esta prueba examinará la región elástica de la deformación por torsión.

Este método de prueba se limita a los materiales en los cuales, y a las tensiones en las cuales, la fluencia es despreciable en comparación con la tensión producida inmediatamente después de la carga. Lo que se busca obtener en el ensayo a torsión con esta norma son: El par torsor aplicado y el Angulo de torsión para determinar el G (Modulo de corte).

5. PROCEDIMIENTO (DESCRIPCIÓN)  Máquinas de pruebas de torsión:

 Realice las conexiones de acuerdo con la siguiente figura.

 Para el uso del torsiómetro

a. Desajustar los tornillos mediante el uso de la llave Allen y remover la barra transitoria. b. Colocar la muestra dentro del brazo de medición, ajustar la muestra con la llave Allen y girando el anillo de bloqueo. c. Revisar que la separación sea de 50 mm y ajustar con la llave Allen d. Colocar el indicador digital, ajustarlo para tener una separación de 3mm entre el brazo de medición y el soporte del indicador digital.

 Compruebe la comunicación entre los equipos y la computadora, presionando el botón de empezar comunicación.  Con la comunicación entre equipos y computadora establecida, empezar con los experimentos.

6. ENTREGABLES (TABLAS Y GRÁFICOS) Experimento 1 - Modulo de corte Tabla 1. Tabla de resultados del primer experimento Material de muestra: Dimensiones de la muestra: Momento polar de Inercia: Desplazamiento angular (0.001” Radianes) 0

Torque (Nm) 0

Esfuerzo 0

Deformación 0

0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

En esta prueba, sólo se observará la región elástica de la muestra, por lo que debe aumentar el ángulo de giro en 0.005 pasos de radianes hasta un máximo de 0.030 radianes. Registre el torque en cada paso. Si va a usar VDAS®, presione el botón 'grabar datos' en cada paso. Usar la ecuación 2 para encontrar el momento polar de inercia para tu muestra. Usar la ecuación 4 y 5 para encontrar el esfuerzo y deformación cortante para completar la tabla. Hallar y comprar el módulo de corte mediante la gradiente del grafico deformación-esfuerzo. Nota: No exceda los 0.030 radianes para las muestras, las tensionará más allá de su límite elástico.

Experimento 2 – Prueba de material Remueva el torsiómetro, en caso de que lo esté usando.

Para la primera parte de la prueba, la muestra se estirará en su región elástica, por lo que debe aumentar el ángulo de giro en pequeños pasos de 1 grado. Nota: Para obtener los mejores resultados, gire el volante a una velocidad constante en una sola dirección. Si lo vuelve hacia atrás, aunque sea por una pequeña cantidad, los resultados de la prueba serán incorrectos. En cada ángulo, registre el ángulo y el valor de par. Si va a usar VDAS®, presione el botón 'grabar datos' en cada paso. Después de aproximadamente 10 grados, la muestra ha pasado su punto de fluencia superior. Ahora puede aumentar el tamaño del ángulo entre medidas a incrementos más grandes. Ahora puede continuar aumentando el ángulo hasta que la muestra se rompa Usar la ecuación 2 para encontrar el momento polar de inercia para tu muestra. Usar la ecuación 4 para encontrar el esfuerzo en el punto de fluencia. Comparar el resultado con los datos de tipo de material teórico.

Tabla 2. Tabla de resultados del segundo experimento.

Material de muestra: Dimensiones de la muestra: Angulo(grados) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Torque (Nm)

Angulo(grados)

Torque (Nm)

6. RESULTADOS A OBTENER

1.- Llene la tabla con los datos solicitados. 2.- Calcule el esfuerzo cortante y el momento

polar de inercia

3.- Determine el grado de error. 4.- Grafique los diagramas deformación- esfuerzo y ángulo-torque). 5.- Calcule analíticamente la deformación máxima.

8. PRECAUCIONES Y RECOMENDACIONES 1. Antes de iniciar el ensayo asegure que los compontes estén instalados correctamente. 2. Observar que los relojes comparadores marquen cero antes de iniciar las medidas. 3. Asegurarse que los medidores de torque y ángulo marquen cero antes de iniciar las medidas. 4. Indicar los posibles errores que podrían afectar las medidas experimentales. 5. Usar como referencia bibliográfica de Resistencia de Materiales de Hibbeler y Singer.

9. INVESTIGACIÓN

1. Buscar información acerca del efecto Bauschinger y los efectos de las tensiones residuales corporales y texturales sobre la fuerza de torsión. El efecto Bauschinger se utiliza para determinar la distribución de tensiones después de la deformación. Se sabe que una aleación endurecida por precipitación se deforma, las tensiones internas de la matriz, llamadas tensiones de retorno se oponen a una deformación posterior en el mismo sentido, pero ayudan si la deformación se realiza en sentido contrario. El efecto Bauschinger se refiere a una característica de los materiales donde el estrés del material, características de las capas modificadas como resultado de

la distribución de la tensión microscópica de la materia. Por ejemplo, un aumento de la resistencia a la fluencia a la tracción se produce a expensas de la resistencia a la fluencia a compresión. El efecto Bauschinger lleva el nombre del ingeniero alemán Johann Bauschinger. Si bien el trabajo en frio más resistencia a la tracción aumenta la resistencia a la tracción, el local inicial de resistencia a la fluencia a la compresión de trabajo en frio después de resistencia a la tracción se reduce realmente. Cuando mayor es la resistencia a la tracción de trabajo en frio, menor será la resistencia a la fluencia a compresión. El efecto Bauschinger esta normalmente asociada con las condiciones en que el límite elástico de un metal disminuye cuando se cambia la dirección de la tensión. Es un fenómeno general que se encuentra en la mayoría de los metales poli cristalinos. El mecanismo básico para el efecto Bauschinger está relacionado con la estructura de la luxación en el metal trabajado en frio. Como se produce la deformación, la dislocación se acumula en las barreras y producir montón luxación-ups y los ovillos. Sobre la base de la estructura de trabajo frio, dos tipos de mecanismos se utilizan generalmente para explicar el efecto Bauschinger.

Las tensiones residuales de tracción disminuyen la resistencia a la fatiga y provocan fallos por fatiga. Las tensiones residuales de tracción son usualmente efectos secundarios de la producción, tales como el rectificado agresivo que dan lugar a la aparición y al crecimiento de grietas. También se pueden introducir por conformado, estampación, trefilado, doblado o torsión. Como ejemplo, las piezas de fundición tienen generalmente tensiones remanentes como tensiones residuales que pueden causar el agrietamiento en la superficie del componente. Además, el agrietamiento por corrosión por tensión es un fenómeno que se produce en presencia de tensiones residuales de tracción

2. Escribir el posible procedimiento para la comprobación del efecto Bauschinger. Consiste en aplicar a una probeta del material un historial de carga formado por un ciclo de tracción, hasta un determinado valor de carga máximo de forma que supere el límite elástico del acero, seguido de un ciclo de carga en compresión hasta el mismo nivel de carga alcanzado en tracción. A partir de la curva de ensayo es posible obtener una serie de parámetros denominados indicadores de efectos de Bauschinger. Que nos va a indicar si el acero sufre o no el efecto, también nos ayuda a determinar qué tipo de efecto de deformación sucede en ese acero.

MÉTODO EXPERIMENTAL Material y ensayos mecánicos Para analizar el efecto Bauschinger de los aceros de alta resistencia utilizados en ingeniería civil, se han realizado diversos ensayos Bauschinger a dos tipos de acero: el correspondiente al material inicial previo al proceso de trefilado (denominado en este trabajo E0, no trefilado en absoluto) y al correspondiente a un paso intermedio del proceso de trefilado (denominado E3, y que ha sufrido tres pasos de trefilado). Estos ensayos consisten en someter al material a un esfuerzo de tracción seguido de un esfuerzo de compresión hasta el mismo nivel de carga alcanzado en tracción. Debido a las elevadas cargas aplicadas y a las reducidas dimensiones de los alambres aparece la posibilidad de que se produzca la inestabilidad geométrica de la probeta en forma de pandeo, durante la aplicación de carga en el ciclo de compresión. Para minimizar este riesgo se decidió realizar los ensayos con un alambre correspondiente a un paso en el que, de acuerdo a estudios previos, presentase cambios a nivel microestructural producidos por el proceso de trefilado provocando un comportamiento anisótropo del alambre a nivel macroscópico (acero E3), y no tuviese un diámetro excesivamente pequeño. Los aceros presentaban una composición perlítica eutectoide. En la figura 1 se muestran las curvas de comportamiento de los dos aceros estudiados, donde se puede apreciar el endurecimiento por deformación sufrido por el acero durante el proceso de trefilado lo que produce un considerable aumento de su límite elástico.

3. Busque las propiedades mecánicas del acero estructural ASTM A-36 en el sistema inglés y métrico. Acero A36 (Norma ASTM A36) El acero A36 (norma ASTM A36) es uno de los aceros estructurales de carbono más utilizados, aunque el contenido de carbono del acero estructural A36 es de un máximo de 0.29%, se considera acero suave (contenido de carbono ≤ 0.25%).Notas: Existen dos versiones que definen el acero con bajo contenido de carbono, una con un contenido de carbono entre 0.04% (0.05%) y 0.25% y la otra con entre 0.04% (0.05%) y 0.29%.El acero A36 a menudo se compara con AISI 1018 debido a su composición química similar, el acero al carbono A36 es comúnmente laminado en caliente, mientras que el acero 1018 es comúnmente laminado en frío.

•

Acero A36 Características y Aplicaciones El acero estructural A36 tiene buena soldabilidad, generalmente se lamina en caliente en acero rectangular, acero cuadrado, acero redondo, placa de acero, y también se hace comúnmente en todo tipo de secciones de acero, como vigas H, vigas I, canal U, ángulo de acero, tubo de acero, etc.

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Acero A36 Ficha Técnica Las siguientes tablas muestran la ficha técnica que incluye composición química, propiedades mecánicas y equivalencias del acero A36.

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Composición Química Ficha técnica 1, composición química del acero A36.

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Acero ASTM A36 Propiedades Las siguientes listas dan acero ASTM A36 propiedades tales como propiedades físicas y mecánicas.

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Propiedades Mecánicas del Acero A36 La lista a continuación resume las propiedades mecánicas del acero A36, como el módulo de elasticidad (módulo de Young), el módulo de corte, la resistencia a la tracción máxima, el límite elástico, la dureza Brinell, etc.

4. Escribir las diferencias entre esfuerzo nominal y esfuerzo verdadero Esfuerzo nominal El esfuerzo nominal no siempre describe el esfuerzo que experimenta el material, ya que el área transversal disminuye conforme se alarga plásticamente la probeta. El esfuerzo nominal está definido por la siguiente expresión:

���� =

Esfuerzo verdadero Se define como la fuerza aplicada dividida entre el área transversal real o instantánea que posee el material mientras está actuando la fuerza.

10. ANEXO 11 . BIBLIOGRAFIAS Aguilar, A. (17 de junio de 2012). Deformaciones. Obtenido de Deformaciones: http://biblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/5-Deformacion.pdf Camacho, A. (4 de junio de 2013). Torsion. Obtenido de Torsion: http://es.slideshare.net/gUgUsTaSiO/torsion-fisica-9 Cedeño, I. (s.f.). https://sites.google.com/site/inescedenofisica/momento-de-inercia/momentopolarde-inercia. Compañia Levantina de Reductores. (s.f.). Obtenido de https://clr.es/blog/es/potencia-par-motor/ diferencia entre torque y potencia. (2012). Obtenido de https:...