ENSAYO DE IMPACTO CHARPY

OBJETIVOS

Generales

Identificar las propiedades mecánicas de los materiales cuando van a ser sometidos a cargas de impacto.

Observar el comportamiento y calcular la resistencia de probetas metálicas bajo la acción de cargas dinámicas.

Específicos

Hallar la resiliencia de los diferentes materiales ensayados. Comparar los resultados respecto a la a absorción de energía en los materiales

ensayados. Identificar el tipo de fractura de los materiales ensayados Describir la importancia de las pruebas de impacto para la puesta en

funcionamiento de piezas o partes en máquinas.

INTRODUCCIÓN

El ensayo de impacto es uno de los métodos de caracterización de materiales más importantes que permite determinar las propiedades de los materiales que no se pueden observar en otro tipo de ensayos, como en el ensayo de tensión, que solo permite determinar el comportamiento de materiales a cargas estáticas o cuasi estáticas, el ensayo charpy es un muy buen complemento a este tipo de pruebas ya que permite determinar el comportamiento de los materiales cuando son sometidos a impactos.

La velocidad de aplicación de la carga es un parámetro determinante en la respuesta mecánica de un material, el método charpy permite el estudio de los materiales a diversos tipos de escenarios lo que permite un estudio más detallado, que en comparación al ensayo de tensión que puede presentar un comportamiento diferente. Aquí es donde cobra importancia determinar cuanta energía de impacto es capaz de absorber un material con lo cual cobra importancia una nueva propiedad; la resiliencia es una propiedad importante para aquellos materiales que estarán sometidos a cargas de impacto u otro tipo de cargas dinámicas.

RESUMEN

En el ensayo de impacto Charpy se midió la tenacidad y la resiliencia de tres probetas distintas (acero de bajo carbono, aluminio y bronce). Inicialmente a una temperatura ambiental y posteriormente a una temperatura próxima a los 330 grados Celsius. Mediante un péndulo Charpy o banco de ensayo Charpy, cada una de las probetas fue impactada y analizada luego del impacto. Se calculó la energía absorbida por cada una de las probetas al momento del impacto mediante el cálculo diferencial de las energías potenciales del péndulo. El procedimiento permitió observar la influencia de la temperatura en las propiedades de fragilidad y ductilidad de cada una de las muestras analizadas, de tal modo que en los resultados obtenidos hubo cambios en la temperatura de transición dúctil-frágil en los materiales.

MARCO TEÓRICO

PRUEBA DE IMPACTO POR EL MÉTODO DEL PÉNDULO DE CHARPY

Las pruebas de impacto se utilizan para conocer cuánta energía puede absorber un material al ser impactado. Los impactos de ensayo a flexión son realizados con la ayuda del péndulo de Charpy, con una energía que sobrepasa los 30 kgf Cm. El esquema de ensayo se muestra en la figura siguiente:

Fig. (1) Esquema de trabajo del péndulo charpy

El nombre de este ensayo se debe a su creador, el francés´ Agustín Georges Albert Charpy (1865-1945). A través del mismo se puede conocer el comportamiento que tienen los materiales al impacto, y consiste en golpear mediante una masa una probeta que se sitúa en el soporte (ver Fig. 1). La masa M, la cual se encuentra acoplada al extremo del péndulo de longitud L, se deja caer desde una altura H, mediante la cual se controla la velocidad de aplicación de la carga en el momento del impacto. La energía absorbida la por la probeta, para producir su fractura, se determina a través de la diferencia de energía potencial del péndulo antes y después del impacto. Una vez conocido el ángulo inicial de aplicación de la carga y el ángulo final al que se eleva el péndulo después de la ruptura completa de la probeta, se puede calcular la energía Mediante la expresión:

Ea = MgL [cos(A) ¡cos (B)] Ec. (1)

Donde g representa la aceleración de la gravedad. Los modos de fractura que pueden experimentar los materiales se clásica en dúctil o frágil, dependiendo de la capacidad que tienen los mismos de absorber energía durante este proceso. Actualmente no existe un criterio único para determinar cuantitativamente cuando una fractura es dúctil o frágil, pero todos coinciden en que el comportamiento dúctil está caracterizado por una absorción de energía mayor que la requerida para que un material fracture frágilmente. Por otra parte el comportamiento dúctil tiene asociado altos niveles de deformación plástica en los materiales.

Desde el punto de vista de la ingeniería es muy importante, y en ocasiones imprescindible, conocer cual serıa el comportamiento mecánico de los materiales, cuando se encuentran expuestos a condiciones extremas de servicio. Es por ello que muchos de los ensayos de impacto se realizan en condiciones en las cuales se favorece la fractura frágil. Entre los factores que contribuyen a modificar el modo de fractura y que se pueden estudiar mediante el ensayo de impacto Charpy se encuentran:

la velocidad de aplicación de la carga, la cual se controla variando el ángulo La presencia de concentradores de tensiones, lo cual se logra mecanizando una

entalla en la probeta del material a estudiar (ver Fig. 2). Así como el impacto en materiales expuestos a diferentes temperaturas.

Este último factor es el responsable que determinados materiales experimenten una transición dúctil-frágil con la disminución de la temperatura. Para determinar el intervalo de temperaturas en el que se encuentra esa transición se suelen realizar los ensayos Charpy a distintas temperaturas con la ayuda de un sistema de calentamiento y enfriamiento acoplado al péndulo, lo cual permite controlar in-situ la temperatura de la probeta. En su defecto, cuando no se dispone de tal mecanismo y se desea evaluar comportamientos mecánicos extremos, las muestras se pueden sumergir en baños a diferentes temperaturas con el atenuante de que no existe un control exacto de la temperatura a la cual se realiza el ensayo y con el cuidado de realizar la prueba de impacto lo mas rápido posible (después de que la probeta haya recibido el tratamiento deseado), para evitar que las muestras experimenten grandes gradientes de temperatura.

Las probetas presentan las siguientes exigencias para los ensayos de péndulo Charpy: se deben medir cuidadosamente las probetas con instrumentos de medicion convensionales y concluir que tipos de probeta se usan para la practica.

Fig. (2) Probetas para el ensayo charpy

Como se ve en la figura anterior en las probetas se realiza una ranura o incision, dicha ranura tiene el objeto de que la probeta se rompa en un solo impacto. Ademas la ranura garantiza el rompimiento de la probeta por una sección controlada . en este tipo de probetas los ezfuerzos y la deformacion plástica se concentran en una parte limitada del volumen de la muestra, alrededor de la incisión. Precisamente aquí es donde es absorvida prácticamente toda la energía del impacto.

Temperatura de trancision dúctil frágil : La temperatura de transición de dúctil a frágil es aquella a la cual el modo de fractura en un material cambia de dúctil a frágil. Se puede definir esta temperatura mediante la energía promedio entre las regiones dúctil y frágil, o a cierta energía especifica absorbida, o mediante la aparición de alguna fractura característica. Un material que se somete a un golpe de impacto en servicio, debe tener una temperatura de transición menor o mayor a la de su entorno.

Fig. (3) Curva de trancision Dúctil-Frágil

Resiliencia: es la cantidad de energía que puede absorber un material, antes de que comience la deformación irreversible, esto es, la deformación plástica.

Ecuaciones para calcular los datos obtenidos en el ensayo de impacto charpy:

Energía totalE=PL(1−c osα)¿] Ecu. (2)

L: longitud del péndulo (distancia desde su eje al centro de gravedad).P: peso del martillo

Energía disponible total descontando las por pérdidas por fricción en los rodamientos y por la resistencia con el aire

Ef=PL(1−cos 0)[Joules] Ecu. (3)

Energía perdida por fricción ─en rodamientos y con el aire─ Edt=E−Ef =PL (cos β 0−cosα ) [Joules ] Ecu. (4)

β0= Ángulo final en vacío ─sin probeta─α= Ángulo de disparo

Energía residual: Energía no utilizada en la rotura de la probetaEr=PL(1−cos β)¿] Ecu. (5)

β= ángulo alcanzado por el péndulo después de golpear la probeta ─con probeta

Energía utilizada para romper la probeta:Eabs=Ef – Er [Joules ] Ecu. (6)

Porcentaje de fractura frágil y dúctil

% de fracturafrágil :A f

A t

∗100 Ecu. (7)

% de fracturafrágil : [1− A f

At]∗100Ecu. (8)

Af= Área final [mm2]At= Área total [mm2]

Resiliencia:

K=E|¿|

s¿ Ecu. (9)

Easb: energía absorbida S: sección de rotura de la probeta [mm2]

MATERIALES Y EQUIPOS USADOS

Se utilizaron los sigueintes equipos y materiales para el desarrollo del laboratorio:

Banco de ensayo charpy el cual esta compuesto por un martillo de 621 N de peso y 0.73 m de longitud que está sujeto a una barra de manera vertical y esta a su vez sujeta a una barra horizontal, que oscila por medio de unos rodamientos.

Fig. (4) Pendulo Charpy automatizado

Dos probetas de acero, aluminio y bronce las cuales tenían una ranura en V lo que le permitía a la probeta facilitar su ruptura al momento del impacto

Fig. (5) Probeta de acero utilizada en el método de ensayo charpy

Horno mufla el cual está concebido para realizar ensayos térmicos a muy altas temperaturas, así como calcinaciones y tratamientos en una gran variedad de sectores industriales y en investigación aplicada de materiales.

Fig. (6) Horno Mufla

Una termocupla que es un sensor de temperatura eléctrico. Este dispositivo se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo, al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño, del orden de los mili volts el cual aumenta con la temperatura. También se usaron unos guantes de carnaza unas pinzas y un calibrador (pie de rey).

Fig. (7) Termocupla

PROCEDIMIENTO

Inicialmente se puso el péndulo en un ángulo de 84 grados y se dejó caer libremente; Para ésta etapa no fue necesario el uso de alguna probeta ya que se buscó calcular la energía perdida por el rozamiento entre piezas mecánicas y del martillo con el aire, la diferencia entre la energía final e inicial daba como resultado la energía perdida por fricción. Para el cálculo de energías fue de vital importancia medir tanto el ángulo inicial como el final.Posterior al cálculo de energía perdida por fricción se realizó el mismo procedimiento, pero ésta vez se incluyeron las probetas a analizar a una temperatura ambiente (23 grados Celsius). Inicialmente la probeta de bronce fue puesta en el yunque y el martillo se inclinó hasta un ángulo de 84 grados, acumulando una determinada energía potencial. Se dejó caer libremente el martillo de tal modo que al llegar al yunque, impactó la probeta rompiéndola y sacándola del banco de ensayo, para posteriormente seguir su recorrido hasta alcanzar una altura final determinada por un ángulo del cual se tomó registro. Las probetas de aluminio y acero fueron analizadas de la misma manera.Una vez terminado el ensayo de probetas a temperatura ambiente, se procedió a observar si las probetas presentaban el mismo comportamiento o las mismas características al ser impactadas, pero ésta vez a una temperatura alrededor de los 330 grados Celsius, la cual se alcanzó mediante el precalentamiento de las probetas en el horno mufla. Cada una de las probetas fue puesta en el yunque y golpeada por el péndulo charpy quien estuvo al mismo ángulo inicial, pero registró distintos ángulos finales, tanto para cada probeta a esta temperatura de 330 grados como a las temperaturas ambientales.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Datos BásicosLongitud del péndulo:

0,73mPeso del martillo:

621NTabla 1 Especificaciones de la máquina de ensayo.

ProbetasBronce Aluminio Acero Bajo

CarbonoTemperatura °C Temperatura °C Temperatura °C23 300 23 300 23 300

Angulo inicial α 84 84 84 84 84 84Angulo ensayo 83 83 83 83 83 83

sin probeta β0Angulo ensayo con probeta β

81 82 78 75 71 71

Tabla 2 Ángulos obtenidos en el ensayo de impacto charpy para cada probeta.

ProbetasBronce Aluminio Acero Bajo Carbono

Temperatura °C Temperatura °C Temperatura °C23 300 23 300 23 300

Área útilmm2

80 80 80 80 80 80

Área de fractura

frágilmm2

60 48 48 - 54 25

Área de fractura

dúctilmm2

20 32 32 - 26 55

Tabla 3 Datos obtenidos para las áreas en cada una de las probetas.

A partir de la información obtenida en las tablas 1 y 2 se obtiene los siguientes datos:

Energía total

E=(621N )(0,73m)(1−cos (84))

E=405.94 J

Energía disponible

E f=(621N )(0,73m)(1−cos (83))

E f=398.08 J

Perdidas de energía

Ept=405,94−398.08

Ept=7,68J

ProbetasBronce Aluminio Acero Bajo

CarbonoTemperatura °C Temperatura °C Temperatura °C23 300 23 300 23 300

Energía total 405,94 405,94 405,94 405,94 405,94 405,94Energía

Disponible398,08 398,08 398,08 398,08 398,08 398,08

Perdidas de Energía

7,68 7,68 7,68 7,68 7,68 7,68

Tabla 4 Energía calculada a partir de las relaciones

Probeta de Bronce

Con la información obtenida en las tablas 1, 2, 3 y 4 se obtienen los siguientes datos para el bronce a temperatura de 23°C:

Energía residual

Er=(621N )(0,73m)(1−cos (81))

Er=382,41J

Energía utilizada para romper la probeta

E|¿|=398.08J−382,41 J ¿

E|¿|=15,67 J ¿

% Fractura Frágil y % Fractura Dúctil

%Fractura Frágil=60mm2

80mm2∗100%

%Fractura Frágil=75%

%Fractura Dúctil=(1−60mm2

80mm2 )∗100%%Fractura Dúctil=25%

Resiliencia

K= 15,67J80mm2

K=0,19 J

mm2

Con la información obtenida en las tablas 1, 2, 3 y 4 se obtienen los siguientes datos para el bronce a temperatura de 300°C:

Energía residual

Er=(621N )(0,73m)(1−cos (82))

Er=390,23J

Energía utilizada para romper la probeta

E|¿|=398.08J−390,23 J ¿

E|¿|=7,85J ¿

% Fractura Frágil y % Fractura Dúctil

%Fractura Frágil= 48mm ²80mm2

∗100%

%Fractura Frágil=¿60%

%Fractura Dúctil=(1−48mm ²80mm2 )∗100%%Fractura Dúctil=40%

Resiliencia

K= 7,58J

80mm2

K=0,098 J

mm2

Temperatura °C23 300

Energía Residual 382,42 390,23Energía

Absorbida15,67 7,85

%Fractura Frágil 75 60%Fractura Dúctil 25 40

Resiliencia 0,19 0,098

Tabla 5 Resumen de los datos obtenidos para el bronce.

Probeta de Acero

Con la información obtenida en las tablas 1, 2, 3 y 4 se obtienen los siguientes datos para el acero temperatura de 23°C:

Energía residual

Er=(621N )(0,73m)(1−cos (71))

Er=305,74 J

Energía utilizada para romper la probeta

E|¿|=398.08J−305,74 J ¿

E|¿|=92,34 J ¿

% Fractura Frágil y % Fractura Dúctil

%Fractura Frágil=54mm ²80mm2

∗100%

%Fractura Frágil=¿67.5%

%Fractura Dúctil=(1−54mm ²80mm2 )∗100%

%Fractura Dúctil=32.5%

Resiliencia

K= 92,34J80mm2

K=1,15 J

mm2

Con la información obtenida en las tablas 1, 2, 3 y 4 se obtienen los siguientes datos para el acero temperatura de 300°C:

Energía residual

Er=(621N )(0,73m)(1−cos (71))

Er=305,74 J

Energía utilizada para romper la probeta

E|¿|=398.08J−305,74 J ¿

E|¿|=92,34 J ¿

% Fractura Frágil y % Fractura Dúctil

%Fractura Frágil=25mm ²80mm2

∗100%

%Fractura Frágil=¿31.25 %

%Fractura Dúctil=(1−25mm ²80mm2 )∗100%%Fractura Dúctil=¿68.75%

Resiliencia

K= 92,34J80mm2

K=1,15 J

mm2

Temperatura °C23 300

Energía Residual 305,74 305,74Energía

Absorbida92,34 92,34

%Fractura Frágil 67.5 31.25%Fractura Dúctil 32.5 68.75

Resiliencia 1,15 1,15Tabla 6 Resumen de los datos obtenidos para el acero.

Probeta de Aluminio

Con la información obtenida en las tablas 1, 2, 3 y 4 se obtienen los siguientes datos para el aluminio temperatura de 23°C:

Energía residual

Er=(621N )(0,73m)(1−cos (78))

Er=359,07 J

Energía utilizada para romper la probeta

E|¿|=398.08J−359,07 J ¿

E|¿|=39,01J ¿

% Fractura Frágil y % Fractura Dúctil

%Fractura Frágil= 48mm ²80mm2

∗100%

%Fractura Frágil=60 %

%Fractura Dúctil=(1−48mm ²80mm2 )∗100%%Fractura Dúctil=¿40 %

Resiliencia

K= 39,01J80mm2

K=0,48 J

mm2

Debido a que la probeta de aluminio a 300 grados no se rompió no se puede determinar con certeza las propiedades ya calculadas debido al alto grado de variación que esta puede presentar con la realidad.

Temperatura °C23 300

Energía Residual 359,07 -Energía

Absorbida39,01 -

%Fractura Frágil 60 -%Fractura Dúctil 40 -

Resiliencia 0,48 -Tabla 7 Resumen de los datos obtenidos para el aluminio.

En los resultados obtenidos se pudo observar que las tres probetas presentan un comportamiento diferente al momento de ser impactadas por la masa.

La probeta de acero absorbe mayor cantidad de energía que la probeta de bronce y aluminio, así mismo sucede con la probeta de aluminio es capaz de absorber más energía que la probeta de bronce. También se pudo observar que la temperatura juega un papel muy importante en el comportamiento de las probetas al momento de realizar el ensayo; al aumentar la temperatura de las probetas estas presentan un comportamiento diferente.

CONCLUSIONES

La temperatura juega un papel muy importante ya que un cambio en esta, altera la respuesta mecánica del material.

La velocidad de aplicación de la carga, es importante en la respuesta mecánica del material.

RECOMENDACIONES

No es necesario que todo el público presente se conglomere alrededor de los estudiantes que están tomando datos, esto causa un poco de distracción debido a la cantidad de estudiantes. Sería bueno subdividir el grupo, así cada subgrupo conformado realizaría el ensayo con una mejor visión panorámica del procedimiento y habría un mayor grado de concentración.

Sería muy útil para el laboratorio contar con más instrumentos de medición para tener una mayor precisión en los datos obtenidos y en los futuros cálculos que se realizaran.

BIBLIOGRAFIA http://www.utp.edu.co/~gcalle/Impacto.pdf http://rmf.smf.mx/pdf/rmf-e/52/1/52_1_51.pdf http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/ciencia-y-tecnologia-de-los

materiales/materiales-de-clase-1/Tema6.pdf

ANEXOS

Ensayo de Izod: es un tipo de ensayo destructivo dinámico de resistencia al choque que utiliza el Péndulo de Charpy como herramienta. Este procedimiento se lleva a cabo para averiguar la tenacidad de un material, ya que al realizarlo obtenemos su resiliencia.El ensayo consiste en romper una probeta de sección cuadrangular de 10x10 mm a través de tres entalladuras que tiene situadas en distintas caras. El procedimiento se repite para cada entalladura. La resiliencia se obtiene de la media de los datos obtenidos en los tres.