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PRÁCTICA 3

1. TEMA: ENSAYO DE IMPACTO CHARPY

2. INTRODUCCIÓN:

La presente práctica tuvo como objetivo principal comparar el comportamiento de

un material sometido a cambios de temperatura mediante la aplicación del ensayo

de impacto Charpy. El péndulo de Charpy es un dispositivo utilizado en ensayo

para determinar la tenacidad de un material. Otra propiedad importante de los

materiales que se evidencia en este ensayo es la ductilidad y fragilidad. Se entiende

por ductilidad la capacidad que tiene un cuerpo de deformarse en el rango inelástico,

el cual inicia en el límite elástico y termina justo antes de la falla. La falla de un

material está íntimamente ligada con su capacidad de absorber la energía cinética

del cuerpo que produce el impacto, la cual depende de la capacidad de deformación

del material antes de la falla o ruptura. Por lo anterior se deduce que los materiales

dúctiles tienen la capacidad de absorber y almacenar más energía que los frágiles

En elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de

las cargas, las que pueden aparecer circunstancialmente, su falla se produce

generalmente, al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aun en

aquellos metales considerados como dúctiles.

Esta práctica consiste en un ensayo, en el cual se va a romper una probeta con un

péndulo. Para que el péndulo rompa la probeta hay que suministrarle una energía.

Las probetas que vamos a utilizar son de acero y tiene una entalla en el centro. Esta

estalla puede ser de forma de U o de V y el golpe del péndulo se le da en el lado

opuesto a la entalla.

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3. OBJETIVOS:

Objetivo General:

Comparar el comportamiento de un material sometido a distintos tratamientos térmicos

mediante la aplicación del ensayo de impacto Charpy.

Objetivos Específicos:

Apreciar la tenacidad del material al soportar un impacto.

Identificar los comportamientos frágil y dúctil en la fractura del metal, mediante

observación visual.

Adquirir conocimientos sobre la importancia de la aplicación del ensayo

Charpy.

Valorar la resistencia del material a cargas de impacto.

4. EQUIPOS Y MATERIALES:

EQUIPOS

Máquina Charpy

MATERIALES

Muestra de Acero previamente medida (Normalizada) Acero 1045

Hielo seco

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5. MARCO TEÓRICO:

Tenacidad y Ensayos de fractura por impacto

La tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturarse. Esta propiedad es de importancia en la ingeniería cuando se considera la capacidad que tiene un material para soportar un impacto sin que se produzca la fractura. Uno de los métodos más simples de medida de la tenacidad son los ensayos de impacto.

Existen dos ensayos normalizados, los ensayos de Charpy e Izod, fueron diseñados y todavía son utilizados para medir la energía de impacto, algunas veces también llamada tenacidad a la entalla. La técnica de Charpy con muesca en forma de V (CVN) es la más común en los Estados Unidos. En ambas técnicas, la probeta tiene forma de barra de sección cuadrada, en la cual se mecaniza una muesca en forma de V. La diferencia fundamental entre las técnicas de Charpy e Izod reside en la manera en que se coloca la probeta, tal como se ilustra en la Figura1.

Figura 1. El ensayo de impacto: a) ensayos Charpy e Izod, y b) dimensiones de las probetas típicas. (Fuente: Askeland, D. R. (1998). Ciencia e ingeniería de los materiales (Tercera ed.). México, D.F.: International Thomson Editores.)

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Ensayo Charpy

Una de las formas de utilizar este aparato consiste en colocar una probeta Charpy con muesca en V a lo largo junto a los brazos paralelos de la máquina (tal como se muestra en la parte superior de la figura 2. A continuación, se suelta el péndulo pesado desde una altura determinada, el cual golpea a la probeta en su trayectoria descendente fracturándola. Conocida la masa del péndulo y la diferencia entre las alturas inicial y final se determina la energía.

Figura 2. Esquema de un aparato estándar para el ensayo de impacto Charpy. (Smith, W. F. (2006). Fundamentos de la ciencia e ingeniría de materiales (Cuarta ed.). México, D.F.: McGraw-Hill.)

Temperatura de transición de dúctil a frágil

Como se mencionó anteriormente, en determinadas condiciones se observa un cambio marcado en la resistencia a la fractura de algunos metales que están en uso, esto es, la transición de dúctil a frágil. Las bajas temperaturas, la aplicación de un gran esfuerzo y velocidades de carga rápida pueden causar que un material dúctil se comporte de manera frágil; sin embargo, usualmente, la temperatura se selecciona como la variable que representa esta transición mientras que la velocidad de carga y la velocidad de aplicación del esfuerzo se mantienen constantes. El aparato de la prueba de impacto mencionado en la sección anterior puede emplearse para determinar el intervalo de temperatura para la transición en los materiales de su comportamiento dúctil a frágil.

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Los aceros recocidos con bajo carbono tienen un intervalo de transición de menor temperatura, y más reducido que otros aceros con alto carbono. Asimismo, a medida que aumenta el contenido de carbono de los aceros recocidos, se vuelven más frágiles y se absorbe menos energía en el impacto durante la fractura.

La transición de dúctil a frágil es un importante elemento a tomar en cuenta en la selección de materiales para componentes que funcionan en ambientes fríos.

Resistencia a la fractura

Las pruebas de impacto tal como se han descrito, facilitan datos cuantitativos comparativos mediante probetas y equipos relativamente simples. Sin embargo, estos ensayos no proporcionan los datos adecuados para el diseño de secciones de materiales que contienen fisuras o defectos. Este tipo de datos se obtienen a partir de la disciplina de la mecánica de la fractura, en la cual se realizan análisis teóricos y experimentales de la fractura de materiales estructurales que contienen fisuras o defectos preexistentes.

La fractura de un metal (material) se inicia en el punto en que la concentración de esfuerzos es la más elevada, como puede ocurrir, por ejemplo, en el vértice de una fisura.

Norma ASTM E-23

La normativa ASTM E-23 describe las pruebas de impacto de probetas metálicas entalladas. La norma hace referencia tanto a Charpy como a Izod y describe los métodos de ensayo para medir la energía absorbida por el espécimen roto.

Figura 3. Probeta tipo A para ensayo de impacto. (Fuente: Norma ASTM E-23)

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6. PROCEDIMIENTO 6.1. Elevar el péndulo y engatillar para luego ser liberado

Figura 4. Péndulo Elevado

Fuente: Los Autores

6.2. Soltar la palanca y dejar que el péndulo realice unos cuantos vaivenes y se detenga. La energía gastada en este proceso se procede a anotar.

Figura 5. Movimiento del Péndulo

Fuente: Los Autores

6.3. Instalar la probeta en los apoyos con mucho cuidado y teniendo en cuenta que quede bien colocada.

Figura 6. Colocar la probeta

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Fuente: Los Autores

6.4. Engatillar y soltar el péndulo, de esta manera se produce la ruptura de la probeta, detener el péndulo y tomar nota de la energía aplicada en el proceso.

Figura 7. Ruptura de la Probeta

Fuente: Los Autores

6.5. Repetir los pasos 6.2, 6.3, 6.4 para otros tratamientos térmicos.

Figura 8. Probetas Rotas

Fuente: Los Autores

6.6. Con una probeta del mismo material se procede a bajar su temperatura a - 20 ℃ con el hielo para ver su comportamiento.

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Figura 8. Probetas bajadas la temperatura a - 20 ℃

Fuente: Los Autores

6.7. Y por último se procede a anotar las energías consumidas al realizar el ensayo.

Figura 9. Obtención de los datos

Fuente: Los Autores

7. CÁLCULOS Y RESULTADOS

El material con que está hecha la probeta es un acero 1045 con un alto porcentaje de

carbono y esa característica le hace al material frágil es así que cuando se le sometió

al ensayo de fractura Charpy la probeta se rompió muy rápidamente.

El otro ensayo en condiciones donde debíamos bajarle la temperatura a -20 grados

con el hielo seco, pues al cambiar su temperatura estamos cambiando las

propiedades del acero, y esta característica le hace más frágil y cuando acciono la

carga se rompió más fácilmente y dejando a la probeta separadas en dos y con la

zona bien lisa como si hubiese pasado una cortadora dejando uniforme las

superficies.

8. CONCLUSIONES

Se pudo observar que en materiales dúctiles la probeta si se rompe totalmente,

mientras que en materiales frágiles sí, a temperatura ambiente.

Al bajar la temperatura al material éste se convierte en frágil y hacer frágil sus

propiedades cambian y se convierten como las de un vidrio o cristal, éste se fractura

totalmente (2 pedazos).

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Se llega a la conclusión que este ensayo es indispensable para determinar las

propiedades de un material mediante la preparación de algunas probetas con

medidas normalizadas.

Se pudo aprender el manejo y funcionamiento de la máquina Charpy.

9. RECOMENDACIONES Se recomienda que para poder obtener los resultados deseados como por ejemplo la

energía potencial la cual es marcada por el aparato, éste se encuentre en buen estado. Antes de soltar el péndulo verificar que personas no estén ubicadas al frente de éste

ya que es muy peligroso y la persona puede herirse gravemente. Tener precaución de todas las medidas de seguridad al instante que se utiliza la

maquinaria.

10. BIBLIOGRAFÍA

Askeland, D. R. (1998). Ciencia e ingeniería de los materiales (Tercera ed.). México, D.F.: International Thomson Editores.

Shackelford, J. F. (2005). Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros (Sexta ed.). Madrid: Pearson Educación, S.A.

Smith, W. F. (2006). Fundamentos de la ciencia e ingeniría de materiales (Cuarta ed.). México, D.F.: McGraw-Hill .

11. ANEXOS

Anexo 1.

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Figura 10. Probeta Normalizada

Fuente: http://belidecabello/impacto-32630662?related=2

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