MANUAL DE PRÁCTICAS DE MECANICA DE MATERIALES ELABORADO POR RICARDO REYES MARQUEZ HERNANDEZ DEL PROGRAMA EDUCATIVO: Ing.

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1 1 de 22 MECANICA DE MATERIALES ELABORADO POR RICARDO REYES MARQUEZ HERNANDEZ DEL PROGRAMA EDUCATIVO: Ing. Mecatronica Calkiní, Campeche, Julio 2016 Revisó Aprobó Autorizó Ing. Emir Loria Yah Arq. José Ramiro Horta M.A. Dr. Miguel Ángel Cohuo

2 2 de 22 ÍNDICE CONCEPTO PÁGINAS PRESENTACIÓN OBJETIVO GENERAL....3 SEGURIDAD PRÁCTICA No. 1 CONOCIMIENTO GENERAL DEL FUNDIDOR...4 PRACTICA No. 2 CONOCIMIENTO GENERAL DE LOS MOLDES PARA FUNDICION..11 PRÁCTICA No. 3 PROCESO DDE FUNDICION PRACTICA No. 4 PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS EN SOLDADURA. PRACTICA No. 5 PRUEBAS DESTRUCTIVAS EN SOLDADURA

3 3 de 22 PRESENTACIÓN El proceso de fundición es el proceso más antiguo que se utiliza para dar forma a los metales y convertirlos en productos útiles. Se dice que el proceso de fundición se utilizó por primera vez alrededor de 4000 años a.c. para la manufactura de ornamentos, puntas de flechas de cobre y otros objetos. Los procesos de fundición son los que se seleccionan más a menudo, en comparación con otros métodos de manufactura, debido a las siguientes razones: Se pueden fundir una amplia diversidad de productos, incluso aquellas que cuentan con cavidades internas. Pueden producirse piezas muy grandes. Laboratorio de Procesos de Manufactura / Pueden utilizarse materiales para la pieza de trabajo que serían difíciles o no económicos de producir utilizando otros procesos. La fundición es competitiva en comparación con otros métodos. Se pueden fundir mucho una gran diversidad de metales. OBJETIVO GENERAL Al término de las prácticas, el alumno conocerá los fundamentos físicos, de utilización y la normatividad vigente para el soldado de piezas con estación de soldadura por arco, asimismo realizara el soldado de varias placas metálicas y finalmente interpretara los resultados después de la comprobación con pruebas no destructivas y pruebas destructivas. SEGURIDAD La fundición de piezas podría representar riesgos a los estudiantes, prestar atención y seguir las indicaciones del personal a cargo del equipo y del maestro en turno, así como seguir las reglas de seguridad establecidas en el laboratorio y el uso apropiado de los protectores, guantes y caretas antes de comenzar con la realización del trabajo de fundicion.

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5 5 de 22 PRACTICA 1: CONOCIMIENTO GENERAL DEL FUNDIDOR -INTRODUCCIÓN Las primeras formas de la fusión de metales se dieron en hornos rudimentarios para lograr temperaturas elevadas, y los moldes siempre fueron manufacturados en piedra blanda y en esta tallaron la cavidad de la pieza a fabricar. Hoy en día todos los procesos de fundición, debe calentarse el metal hasta el estado fundido para poder vaciarlo en el molde. El calentamiento y la fusión se realizan en hornos; los hornos que se emplean con mayor frecuencia en los talleres de fundición son: Hornos de crisol: En estos hornos se funde el metal, sin entrar en contacto directo con los gases de combustión. Por esta razón se llaman algunas veces hornos calentados indirectamente. Hay tres tipos de hornos de crisol que se usan en los talleres de fundición: a) Horno de crisol móvil: El crisol se coloca en un horno que usa aceite, gas o carbón pulverizado para fundir la carga metálica. Cuando el metal se funde, el crisol se levanta del horno y se usa como cuchara de colada. b) Horno de crisol estacionario con quemador integrado, el horno es estacionario y el metal fundido se cucharea fuera del recipiente. c) El horno de crisol basculante con quemador integrado: El dispositivo entero se puede inclinar para vaciar la carga. Los hornos de crisol se usan para metales no ferrosos como el bronce, el latón y las aleaciones de zinc y de aluminio. 5

6 6 de 22 -OBJETIVO Al término de la práctica el alumno, conocerá las partes más importantes de la máquina y el funcionamiento de la fundición. -LUGAR Laboratorio de pruebas Mecánicas -SEMANA DE EJECUCIÓN Semana 8 - MATERIAL Y EQUIPO Fundidor -DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 1.- El profesor mostrara la maquina junto el manual del equipo para indicar los sistemas con los que cuenta a maquina 2.- En base a los diagramas mecánicos, eléctricos y de control del equipo, el profesor explicara el funcionamiento general del sistema 3.- En base a al instructivo, se explicara el proceso de ajuste y preparación de la maquina antes de su operación 6

7 7 de El alumno desarrollar análisis de la información relevante realizando un mapa conceptual de los sistemas del equipo 5.- El alumno en base a la información relevante realizara el análisis del modo de falla de la operación del equipo y su método de diagnostico - EVALUACIÓN Y RESULTADOS El alumno deberá entregar los siguientes materiales para su evaluación 1.- Mapas conceptuales donde se resume el funcionamiento del equipo 2.- Una guía de solución de defectos donde se describan las principales fallas del equipo y sus métodos de detección y corrección -REFERENCIAS Procesos industriales para materiales metálicos. J. Rodriguez. ISBN: Tecnología de la fundición. G. Gilli. ISBN: Moldeo y conformación: libro de consulta acerca de los procedimientos de fabricación. H. Gerling. ISBN: ANEXOS FORMATO PARA GUIA DE SOLUCION DE PROBLEMAS (Troube Shooting) DESCRIPCION PROBLEMA DEL PROBABLES CAUSAS METODO VERIFICACION CADA CAUSA DE DE METODO CORRECCION DE 7

8 8 de 22 PRACTICA 2: CONOCIMIENTO GENERAL DE LOS MOLDES PARA FUNDICION -INTRODUCCIÓN El proceso general de la fundición en arena comienza con la fabricación del modelo de la pieza a fundir, luego este modelo se coloca entre la arena para generar una cavidad negativa y se ubican los sistemas de alimentación que guiaran el metal fundido hacia las cavidades del molde. Una vez el metal se solidifica al interior de la cavidad, se destruye el molde y se extrae la pieza terminada; si se requiere se puede realizar el proceso de tratamiento térmico a la pieza fundida o realizar los procesos adicionales de acabados y controles necesarios. El siguiente es un esquema que muestra de forma esquemática el proceso de fundición en arena: Los modelos para fundición en arena serán los encargados de generar la cavidad en la arena para posteriormente fundir el metal en ella. El tamaño de los modelos debe contemplar los valores de contracción del metal fundido y los excesos de material para procesos de maquinados posteriores. La selección del material para el modelo dependerá de factores como: tamaño y forma de la fundición, precisión dimensional y la 8

9 9 de 22 cantidad de ciclos que se quiera utilizar el modelo. En la siguiente tabla se aprecian características de diferentes materiales para ser usados como modelos. Clasificación de los Modelos para fundición en arena Modelos de una sola pieza. También llamados modelos sólidos, tienen la misma forma que el producto y un extra de material para contrarrestar la contracción del material y los procesos de maquinados posteriores. Se utilizan para piezas simples y producción de bajas cantidades. Modelos divididos. Son modelos en dos piezas donde cada una de las piezas forma cada una de las mitades de la cavidad. El plano donde se parten las piezas del modelo coincide con el plano de partición del molde usado para la fundición. Placas Modelo. Este procedimiento se utiliza para volúmenes de producción mayores. En este los modelos partidos se adhieren a una placa de acoplamiento; la placa cuenta con guías para lograr hacer coincidir las mitades que harán las cavidades en la arena. En ocasiones las placas modelo cuentan con partes como los sistemas de vaciado, canales o mazarotas. 9

10 10 de 22 Arena. Para los procesos de fundición en arena se utiliza arena de sílice (SiO2), debido a su economía y resistencia a altas temperaturas. El molde. Los componentes principales de un molde para fundición en arena son: El molde esta soportado por una caja de moldeo: existe un molde superior e inferior, y la unión entre los dos forma la línea de partición. El bebedero es el conducto que recibe el metal y lo lleva hacia el interior del molde; el extremo del bebedero tiene forma de cóno para facilitar el proceso de verter el metal fundido. Figura 2. Partes de las placas modelo. 9 Escuela Colombiana de Ingeniería. Laboratorio de Producción Julio Garavito La mazarota es una cavidad que se llena de metal fundido y suministra el metal adicional necesario para contrarrestar el proceso de contracción durante la solidificación del metal. Los canales de llenado llevan el metal fundido desde la mazarota hasta la cavidad del molde. Los insertos hechos en arena que permiten generar cavidades huecas dentro de la pieza fundida reciben el nombre de corazones. En ocasiones requieren de sujetadores para permanecer en la posición adecuada durante el proceso de verter el metal líquido. Los respiraderos tiene como función permitir el flujo hacia el exterior del aíre y gases que se acumulan durante el proceso de fundición en el interior del molde. Permiten que se realice un buen proceso de llenado de la cavidad. 10

11 11 de 22 -OBJETIVO 1.-Al término de la práctica el alumno, tendrá un conocimiento previo a la práctica de fundición en donde tendrá los conocimientos para la elaboración de moldes y calificara la prueba. -LUGAR Laboratorio de pruebas Mecánicas -SEMANA DE EJECUCIÓN Semana 10 - MATERIAL Y EQUIPO Herramientas de medición para verificación de nivel y medición de caratula. -DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 1.- Compara el desarrollo de la prueba contra la normatividad es vigentes 2.- Encontrara las diferencias entre el desarrollo de la práctica realizada y la normatividad vigente - EVALUACIÓN Y RESULTADOS El alumno deberá entregar los siguientes materiales para su evaluación 1.- La fuente bibliografica 3.- Tabla comparativa de la técnica empleada y la normativdades. 4.- Conclusiones a partir de los resultados -REFERENCIAS Procesos industriales para materiales metálicos. J. Rodriguez. ISBN:

12 12 de 22 Tecnología de la fundición. G. Gilli. ISBN: Moldeo y conformación: libro de consulta acerca de los procedimientos de fabricación. H. Gerling. ISBN: ANEXOS Ninguno 12

13 13 de 22 PRACTICA 3: PROCESO DDE FUNDICION -INTRODUCCIÓN Para realizar la fundición en arena se deben llevar a cabo tres procesos básicos, como preparar la arena, preparar el molde y fundir el metal. A continuación se describen cada uno de los procesos. Preparar Arena a) Arena burda: esta arena puede ser una mezcla de 10 % de arena pura con 90% arena que ha sido utilizada en otras fundiciones. b) Arena de contacto: La arena de contacto debe ser arena pura y sin grumos mezclado con 5% de Bentonita. Preparar Molde: Limpiar la placa modelo, buscando que el modelo a fundir quede totalmente limpio, retirando residuos de arena. Preparar cajas: Las cajas para moldear se dividen en dos partes: 1- Caja base y caja cavidad. Revisar las cajas, limpiar las cajas y revisar tornillos para su ajuste. Preparar cuatro guías para el proceso de moldeo. 13

14 14 de 22 Fundir Metal El material seleccionado para fundir, pesar y depositar en el crisol. Llevar el metal hasta su punto de fusión, agregar 10g de Alufun y 10g de Separafun mientras que es calentado y fundido, por ultimo cucharear el metal y quitar la escoria generada. -OBJETIVO Al término de la practica el alumno, el alumno desarrollara el ensayo, tomando en cuenta todas consideraciones necesarias para su buena ejecución y utilizando correctamente el equipo y a través de su sistema de adquisición de datos del equipo se extraerán y organizaran los datos de la prueba. -LUGAR Laboratorio de pruebas Mecánicas -SEMANA DE EJECUCIÓN Semana 9 - MATERIAL Y EQUIPO -DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 1.- Ajustar las condiciones de ensayo en función del tipo de material y su tratamiento térmico (tipo de escala, tipo de identador) consultar la Tabla 1 del Anexo 2.- Colocar el Calibrador para verificar el estado del equipo 3.- Colocar la probeta sobre la platina o apoyo 4.- Analizar las zonas funcionales de la pieza y seleccionar las partes más apropiadas de acuerdo al uso y aplicación de la pieza 14

15 15 de Desarrollar la prueba e iniciar la adquisición de datos (Observar con cuidado las etapas de Carga Menor Carga total (Menor y Mayor) y Carga Menor) 6.- Repetir el ensayo en 5 veces en zonas cercanas con una distancia de 10 mm entre huella y huella 7.- Repetir el punto 5 en 4 diferentes partes de la pieza indicando en el croquis la ubicación de la muestra 8.- Valida si los valores de la escala de prueba caen dentro de los valores permitidos de la escala, en caso contrario regresar al punto Extraer la información de datos, junto con un croquis de la pieza para su posterior tratamiento en la práctica siguiente - EVALUACIÓN Y RESULTADOS El alumno deberá entregar los siguientes materiales para su evaluación 1.- Fotografías del desarrollo de la práctica 2.- Reporte del desarrollo de la prueba 3.- Base de datos de resultados de la prueba. 4.- Comentarios y conclusiones de las condiciones generales del ensayo -REFERENCIAS Procesos industriales para materiales metálicos. J. Rodriguez. ISBN: Tecnología de la fundición. G. Gilli. ISBN: Moldeo y conformación: libro de consulta acerca de los procedimientos de fabricación. H. Gerling. ISBN: ANEXOS 15

16 16 de 22 PRACTICA 4: PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS EN FUNDICION -INTRODUCCIÓN Los ensayos no destructivos son un método ampliamente utilizado para asegurar la integridad de fundiciones para detectar grietas, porosidades, penetraciones incompletas, inclusiones, socavamientos y defectos similares que pueden comprometer la resistencia de la pieza. Los ensayos por ultrasonidos efectuados con un detector de defectos portátil y un palpador angular es la manera más usada en la inspección de grietas; además, es obligatorio según muchas normas y procedimientos de fundición. Algunos equipos de tecnología de ultrasonidos pueden, además, representar imágenes a colores y de corte transversal de la soldadura para simplificar la interpretación de los resultados. Asimismo, la posibilidad de controlar la angulación y el enfoque dinámico de los haces mejoran la resolución en aplicaciones difíciles. Algunos equipos de ultrasonidos también permiten almacenar datos, inspeccionar soldaduras de manera más rápida y mejorar la reproducibilidad. Los métodos de ensayo no destructivos reconocidos por la sociedad Americana de Ensayos No Destructivos (ASNT), más utilizados son: Ensayo o Inspección Visual (VT) Ensayo o Inspección por Ultrasonido(UT) Ensayo o inspección por líquidos Penetrantes(PT) Ensayo o inspección por partículas Magnéticas(MT) Ensayo o inspección por Radiografía(RT) Inspección Visual. La importancia de la inspección visual se suele pasar por alto. Una prueba visual proporciona una gran cantidad de información acerca de una soldadura. Muchos defectos de fundición tales como la porosidad, grietas, fusión incompleta e inclusiones, se puede observar con sólo un examen visual simple. Ultrasonido. Los ensayos por ultrasonidos se pueden utilizar en materiales ferrosos y no ferrosos y, a menudo es adecuado para la prueba más gruesas secciones accesibles desde un solo lado. En general, se puede detectar defectos lineales o planares más finos de los que detecta el RT. UT hace uso de las vibraciones mecánicas similares a las ondas sonoras pero con mayor frecuencia. Un haz de energía ultrasónica se dirige hacia el objeto a analizar. Este rayo viaja a través del objeto con pérdida de energía insignificante, excepto cuando es interceptada y reflejada por una discontinuidad. 16

17 17 de 22 Cuando el pulso de ondas ultrasónicas golpea una discontinuidad en la pieza de ensayo, esta se refleja de vuelta a su punto de origen. Así, la energía vuelve al transductor. El transductor ahora sirve como receptor de la energía reflejada. La detección, localización y evaluación de discontinuidades es posible gracias a que la velocidad del sonido a través de un material es casi constante, lo que hace posible la medición de distancias, y la amplitud relativa de un pulso reflejado es más o menos proporcional al tamaño del reflector. Líquidos penetrantes. Mediante la inspección con líquido penetrante o técnica de tinte penetrante, pueden detectarse discontinuidades como grietas que entran en la superficie. Un tinte líquido es atraído por acción capilar hacia una grieta delgada, que de otra manera resultaría invisible. Hay cuatro etapas en este proceso. La superficie primero se limpia completamente; se rocía sobre ella un tinte líquido y se le deja durante un periodo durante el cual el tinte es atraído hacia cualquier discontinuidad superficial. La tinta excedente entonces se limpia retirándola de la superficie del metal. Finalmente, sobre ésta se rocía una solución reveladora, la cual reacciona con cualquier tinte que haya quedado y extrayendo el de las grietas. Entonces la pintura ya puede ser observada, debido a los cambios de color del revelador o porque se vuelve fluorescente bajo luz ultravioleta. Partículas magnéticas. Las discontinuidades cerca de la superficie los materiales ferro magnéticos se pueden detectar mediante pruebas con partículas magnéticas. Se induce un campo magnético en el material a probar produciendo líneas de flujo. Si en el material está presente alguna discontinuidad, la reducción en permeabilidad magnética del material debida a la discontinuidad altera la densidad de flujo del campo magnético. Las fugas de las líneas de flujo hacia la atmósfera circundante crean polos norte y locales, que atraen partículas de polvo magnético. Para un mejor movimiento, las partículas se pueden agregar en seco o en un fluido como agua o aceite ligero. También, para ayudar detección, pueden teñirse o recubrirse de un material fluorescente Radiografía Industrial. La radiografía (rayos X) es uno de los métodos de inspección no destructivos más importante, versátil y con mayor aceptación actual. A menudo se utiliza el término calidad rayos X para indicar soldaduras de alta calidad que han sido analizadas por este método de inspección. La radiografía se basa en la propiedad de los rayos X y gamma de atravesar metales y otros materiales opacos a la luz, produciendo una impresión fotográfica de la energía radiante transmitida. El material que está expuesto, absorberá una cantidad de energía radiante conocida, y por tanto los rayos X y gamma (Cobalto 60 e Iridium 192) pueden ser utilizados para mostrar discontinuidades e inclusiones localizadas dentro del material. -OBJETIVO 17

18 18 de 22 Al término de la práctica el alumno, concluirá su trabajo especificando las irregularidades que encontró en su fundicion -LUGAR Laboratorio de pruebas Mecánicas -SEMANA DE EJECUCIÓN Semana 8 - MATERIAL Y EQUIPO Torno -DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 1.- El profesor mostrara la maquina junto el manual del equipo para indicar los sistemas con los que cuenta a maquina 2.- En base a los diagramas mecánicos, eléctricos y de control del equipo, el profesor explicara el funcionamiento general del sistema 3.- En base a al instructivo, se explicara el proceso de ajuste y preparación de la maquina antes de su operación 4.- El alumno desarrollar análisis de la información relevante realizando un mapa conceptual de los sistemas del equipo 5.- El alumno en base a la información relevante realizara el análisis del modo de falla de la operación del equipo y su método de diagnostico - EVALUACIÓN Y RESULTADOS El alumno deberá entregar los siguientes materiales para su evaluación 1.- Mapas conceptuales donde se resume el funcionamiento del equipo 2.- Una guía de solución de defectos donde se describan las principales fallas del equipo y sus métodos de detección y corrección -REFERENCIAS 18

19 19 de 22 Procesos industriales para materiales metálicos. J. Rodriguez. ISBN: Tecnología de la fundición. G. Gilli. ISBN: Moldeo y conformación: libro de consulta acerca de los procedimientos de fabricación. H. Gerling. ISBN: ANEXOS 19

20 20 de 22 PRACTICA 5: PRUEBAS DESTRUCTIVAS EN FUNDICION -INTRODUCCIÓN Las propiedades mecánicas de los metales fundidos deben ser verificadas con el objeto de asegurar la calidad de la pieza respecto a su diseño. Los ensayos a efectuar dependerán de cada caso en particular. Los ensayos a revisar son los siguientes: 1. Ensayo de resistencia a la tensión 2. Ensayo de resistencia al impacto 3. Ensayo de dureza Ensayo de resistencia a la tensión. Este ensayo consiste en estirar una probeta hasta su rompimiento, en una maquina especial y los resultados obtenidos nos proporcionan una cantidad de información importante, dicha información es la siguiente: Resistencia a la tensión máxima Esfuerzo de cedencia % de elongación % de reducción en área Ensayo de resistencia al impacto. Una propiedad importante de los metales es la tenacidad que se define como la habilidad de un metal para absorber energía. De acuerdo con el ensayo de tensión, la tenacidad de un metal puede describirse como el área bajo la curva. Esfuerzo- Deformación, este es un valor para la cantidad de energía que puede ser absorbida por un metal cuando se aplica una carga gradualmente. Cuando se habla de la capacidad de un metal para absorber energía, se debe entender que el metal absorbe la energía por etapas: primero hay una cierta cantidad de energía requerida para iniciar la fractura. Después, es necesaria energía adicional para que la fractura se propague. 20

21 21 de 22 Ensayo de dureza. Dureza es la habilidad que presentan los metales para resistir a ser penetrados. Consecuentemente el ensayo de dureza utilizando un tipo de penetrador el cual es forzado a penetrar la superficie del objeto a ensayar. Dependiendo del tipo de ensayo de dureza utilizado, se pude medir, ya sea el diámetro o profundidad de la identación realizada. Existen tres grupos básicos de ensayos de dureza: 1. Dureza Brinell 2. Dureza Rockwell 3. Micro dureza -OBJETIVO Al término de la práctica el alumno, concluirá su trabajo especificando las irregularidades que encontró en su pieza de fundicion -LUGAR Laboratorio de pruebas Mecánicas -SEMANA DE EJECUCIÓN Semana 8 - MATERIAL Y EQUIPO Torno -DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 1.- El profesor mostrara la maquina junto el manual del equipo para indicar los sistemas con los que cuenta a maquina 21

22 22 de En base a los diagramas mecánicos, eléctricos y de control del equipo, el profesor explicara el funcionamiento general del sistema 3.- En base a al instructivo, se explicara el proceso de ajuste y preparación de la maquina antes de su operación 4.- El alumno desarrollar análisis de la información relevante realizando un mapa conceptual de los sistemas del equipo 5.- El alumno en base a la información relevante realizara el análisis del modo de falla de la operación del equipo y su método de diagnostico - EVALUACIÓN Y RESULTADOS El alumno deberá entregar los siguientes materiales para su evaluación 1.- Mapas conceptuales donde se resume el funcionamiento del equipo 2.- Una guía de solución de defectos donde se describan las principales fallas del equipo y sus métodos de detección y corrección -REFERENCIAS Procesos industriales para materiales metálicos. J. Rodriguez. ISBN: Tecnología de la fundición. G. Gilli. ISBN: Moldeo y conformación: libro de consulta acerca de los procedimientos de fabricación. H. Gerling. ISBN: ANEXOS 22