Informe 1 Mecanica De Fractura i2i7

Laboratorio Ciencia de los Materiales Práctica #1: Mecánica de Fractura Ignacio Del Rio Saya – 1067096 - Sección 74 Instituto Tecnológico de Santo Domingo Resumen — Esta práctica del laboratorio de Ciencia de los Materiales tiene como objetivo comprender la mecánica de fractura de los materiales, y ver cuales son los diferentes tipos de fracturas y a que se debe el origen de cada uno de estos fallos. Estos objetivos se cumplirán estudiando materiales que ya fueron sometidos a distintos ensayos de tensión, compresión o impacto.

IV. RESULTADOS

I. MATERIALES

-

Metales: o Cobre, aluminio y acero Polímeros: o PVC Cerámicos: o Coralina Materiales compuestos: o Madera

Probeta de cobre:

II. EQUIPOS Y SOFTWARE Lupa: Se utilizó para observar no de una manera superficial pero no tan definida las fractura presente en cada uno de los materiales analizados. CES Edupack Granta: se utilizó como base de datos, para identificar las propiedades mecánicas de cada uno de los materiales analizados en la práctica. Microscopio óptico: Debido al poco tiempo que había a nuestra disposición en el laboratorio no pudimos utilizar este equipo, pero este se utiliza para observar de manera precisa las superficies de fractura de los materiales para poder determinar el tipo de fractura que estos presentan.

III. PROCEDIMIENTO 1. 2. 3.

Seleccionar los materiales a analizar. Observación de las distintas probetas haciendo uso de la lupa. Identificación y análisis de los tipos de fracturas presentados por las probetas utilizando CES Edupack Granta como base de datos.

Imagen No.1: Probeta de cobre.

La probeta de cobre que se observa en la imagen No. 1 es la que utilizamos para el ensayo de la práctica de impacto. Como se puede apreciar a simple vista, existe una deformación plástica es los extremos de l ruptura, por lo cual podemos deducir que el tipo de fractura es dúctil. Aunque la ruptura no fue completa, podemos determinar que esta probeta superó su límite elástico, lo cual causa la deformación plástica, pero debido a que la ruptura no fue completa podemos deducir que este no llego a su máxima resistencia.

Polietileno de alta densidad:

Probeta de madera:

Imagen No. 2: Probeta de polietileno de alta densidad.

Este material muestra deformaciones impresionantes, podemos apreciar una reducción en su área, los que nos lleva a deducir que fue sometido a tensión y que su fractura es de tipo dúctil.

Imagen No. 4: Probeta de caoba vista con lupa.

La probeta de madera analizada en la imagen No. 4 presenta una grieta en su superficie la cual tiene patrones que indican que se puede seguir agrandando a medida que esta probeta se siga sometiendo a ensayos de tensión, por lo cual podemos deducir que estamos ante un caso de fractura por fatiga.

Probeta de coralina: 3

ANÁLISIS DE MACRO ESTRUCTURAS

En el análisis de macro estructuras se identifican las características que adquieren los materiales cuando son ensayados a simple vista, en este análisis se puede deducir que tipo de fractura fue ocasionada y cuales factores provocaron la misma.

Imagen No. 3: Probeta de coralina.

La coralina es un material cerámico, y debido a que este está formado en base a minerales y bacterias marinas, una de sus características es la porosidad, lo cual es común en los materiales cerámicos. En esta probeta no se puede apreciar una deformación plástica en su estructura, por lo que podemos decir que presenta una fractura frágil debido a que fue sometida a compresión. Se puede de deducir que se produjo una falla quebradiza debido a la porosidad del material. La cual hace que su tenacidad a la fractura sea pequeña.

Imagen No. 5: Abrazadera U-bolt.

En la imagen anterior podemos ver una abrazadera u-bolt, la cual para sujeción se necesita roscar tuercas en sus extremos, y debido a que esta abrazadera presenta una fractura en la rosca se puede deducir que la carga que causo su falla fue de torsión. Aunque no esté reflejado en la imagen, pero si tomamos el extremo desprendido de la abrazadera y lo unimos con el extremo mostrado de la abrazadera en la imagen No. 5, vemos que ambos extremos coinciden, por lo

cual se puede deducir que el tipo de fractura es frágil ya que no hay una deformación plástica.

Imagen No. 8: Superficie de fractura frágil.

Imagen No. 6: Metal ensayado a tensión

En la imagen anterior, podemos ver un material ensayado a tensión, poco antes de fallar podemos ver como se iba formando la deformación plástica del mismo hasta llegar a su rotura, dejando en su superficie un cuello de botella. 3

ANÁLISIS MICRO ESTRUCTURAL

Imagen No. 7: Superficie de fractura dúctil.

En la imagen anterior, observamos una micro estructura donde las grietas son visibles gracias a la utilización del microscopio. Podemos observar micro vacíos y la coalescencia de estos a través de los granos que generaron las grietas que llevaron a la fractura del material, esto nos lleva a pensar que tratamos de una fractura dúctil. También, podemos observar como la propagación de las grietas llevo a la creación de hoyuelos.

En la imagen anterior, vemos una fractura frágil intergranular. Podemos observar que la fractura se dio como resultado de un desdoblamiento de las moléculas ya que los granos están orientados de formas diferentes.

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INVESTIGUE Y ANALICE

¿Por qué la tenacidad (medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturarse) no proporciona datos para el diseño de secciones de materiales que contienen fisuras o defectos? Debido a la tenacidad podemos conocer el límite en que los materiales pueden llegar a accidentarse después de una sobrecarga, pero toda esta información nos proporciona características previas a la falla del material. Teniendo en cuenta que la tenacidad puede ser afectada debido a numerosos factores que afectan a la fractura como son la temperatura, las condiciones de carga o esfuerzo o las características intrínsecas del material. La tenacidad no nos proporciona características de la superficie de fractura posterior a la misma o de las imperfecciones que el material presenta, ni nos ayuda a identificar los factores que provocaron la falla tras la observación de la fractura. 5

INVESTIGUE E INCLUYA IMÁGENES DE LAS PARTES DE LOS SIGUIENTES MICROSCOPIOS:

Microscopio Óptico:

Imagen No. 13: Microscopio Óptico.

El microscopio óptico es un microscopio basado en lentes ópticos. También se le conoce como microscopio de luz, (que utiliza luz o "fotones") o microscopio de campo claro. Sistema óptico: - Ocular(es): Es la lente situada cerca del ojo del observador. Tiene la función de ampliar la imagen del objetivo. - Lentes objetivo: son aquellas situadas cerca de la preparación. Amplía la imagen de ésta. - Condensador: Lente que concentra los rayos luminosos sobre la preparación o muestra. - Diafragma: Regula la cantidad de luz que entra en el condensador. - Foco: Dirige los rayos luminosos hacia el condensador.

Sistema mecánico: - Soporte: Mantiene la parte óptica. Tiene dos partes: el pie o base y el brazo. - Platina: Lugar donde se deposita la preparación o muestra. - Revólver: Contiene los sistemas de lentes objetivos. Permite, al girar, cambiar los objetivos. - Tornillo para desplazar la muestra o preparación en la platina en direcciones tanto longitudinales como transversales. - Interruptor: Apaga y enciende el foco. - Tornillo para regular la altura del condensador y con esto la cantidad de luz que lo atraviesa. - Pinzas: Para ajustar la muestra en la platina.

atraviesan formando una imagen aumentada del objeto. Un TEM que utilice dos lentes puede llegar a aumentar la imagen alrededor de 1,000 veces y su poder de resolución podría llegar hasta 5nm. Lentes magnéticas: sirven para crear campos que dirigen y enfocan el haz de electrones, ya que las lentes convencionales utilizadas en los microscopios ópticos no funcionan con electrones. Partes del TEM: - Cañón de electrones: emite los electrones que chocan, rebotan o atraviesan el objeto observado, dependiendo de qué tipo de microscopio electrónico sea, creando una imagen aumentada. - Sistema de vacío: parte importante de este microscopio debido a que en el flujo de los electrones estos pueden desviarse por partículas de aire, este sistema crea un área de bajas presiones. - Placa fotográfica o pantalla fluorescente: esta se coloca detrás del objeto a visualizar para registrar la imagen aumentada. - Sistema de registro: aumenta la imagen que producen los electrones, por lo regular suele ser en una computadora

Tornillos de enfoque: - Macro métrico que aproxima el enfoque. - Micrométrico que consigue el enfoque correcto. Microscopio electrónico de barrido (SEM): Microscopio Electrónico de Transmisión de Electrones (TEM):

Imagen No. 14: TEM.

Este es un microscopio que utiliza un haz de electrones para visualizar un objeto. Por lo regular parte de los electrones rebotan o son absorbidos por el mismo objeto, pero otros lo

Imagen No. 15: SEM.

El microscopio electrónico de barrido o SEM inventado en 1937 por Manfred Von Ardenne, es aquel que utiliza un haz de electrones para formar una imagen. En este tipo de microscopio la luz se sustituye por un haz de electrones, las lentes por electroimanes y las muestras se hacen conductoras metalizando su superficie. Tiene la ventaja de producir imágenes de alta resolución, de forma que las características más ínfimas de la muestra pueden ser examinadas con gran amplificación. Lo importante de la imagen proporcionada por este microscopio es que parece una imagen visual de la pieza tridimensional. Es útil para realizar inspecciones de bordes de grano, superficie irregular, información acerca de la naturaleza del mecanismo de fractura. Partes del SEM: - Una unidad óptica-electrónica, que genera el haz que se desplaza sobre la muestra. - Un porta muestra, con distintos grados de movimientos. - Una unidad de detección de las señales que se originan en la muestra, seguida de un sistema de amplificación adecuado. - Un sistema de visualización de las imágenes (tubo de rayos catódicos). - Un sistema de vacío, un sistema de refrigeración y un sistema de suministro eléctrico, relativamente similares a los del MET. - Un sistema de registro fotográfico, magnético o de video. - Un sistema de procesamiento de la imagen con ayuda computacional.

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RESOLVER EL SIGUIENTE EJERCICIO

Una placa de acero larga de 1 pulgada de espesor y 10 pulgadas de ancho tiene una grieta de borde de 2 pulgadas de profundidad y soporta una carga de tensión. Si el acero tiene una resistencia a ceder de 50 Ksi y un KIc = 200 Ksi √pulg, ¿Cuál es la carga que la placa puede soportar sin fallar? ¿Cuál es la modalidad de falla? Datos: 𝑡 = 2 𝑖𝑛 𝑤 = 10 𝑖𝑛 𝑎 = 2 𝑖𝑛 Solución:

1

𝐾𝑙𝑐 = 200𝑘𝑠𝑖 (𝑖𝑛)2

𝜎𝑎𝑑𝑚

= 50 𝑘𝑠𝑖

𝑃 = 𝜎𝑎𝑑𝑚 ∗ 𝐴; 𝐴 = 𝑡 ∗ 𝑤 𝑃 = 𝜎𝑎𝑑𝑚 ∗ 𝑡 ∗ 𝑤 = (1𝑖𝑛)(10𝑖𝑛)(50𝑘𝑠𝑖) = 500 𝑘𝑖𝑝𝑠 𝐾𝑙𝑐 𝐾𝑙𝑐 = 𝑓𝜎√𝜋𝑎 ; 𝜎 = 𝑓 √𝜋𝑎 𝜎=

𝐾𝑙𝑐

1

1 = 71.24𝐾𝑠𝑖 (1.12)(3.14(2𝑖𝑛))2 𝑃 = 𝜎 ∗ 𝐴 = (71.24)(10𝑖𝑛2 ) = 712.4 𝐾𝑠𝑖

𝑓 √𝜋𝑎

=

200𝑘𝑠𝑖(𝑖𝑛)2

Como la fuerza que produce el esfuerzo de cedencia es mucho menor que la fuerza obtenida, podemos concluir que la fractura de este acero será de forma dúctil.