INFORME 1:

Ensayo de Charpy a diferentes temperaturas

Curso: CM3201 Ciencia de los Materiales I

Alumno: Yerko Franasovic

Braine Profesor:

Eduardo Donoso C.

Ayudante: Elisa Diaz Carniglia

Fecha Realización de laboratorio:

26 de marzo de 2014

Fecha de entrega: 02 de abril de 2014

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RESUMEN EJECUTIVO

Durante el Laboratorio de Charpy se estudió el efecto que tiene la temperatura

sobre la tenacidad y dureza del acero SAE 1020. Para ello se utilizaron dos

probetas de acero, una a temperatura ambiente aproximadamente 28°C y otra a

-66°C.

Para medir la tenacidad se realizó un ensayo de Charpy, este consiste en la

ruptura de una probeta entallada debido al golpe con el matillo. En este mide la

energía absorbida por el material al deformarse y/o romperse. Los resultados

arrojados por este experimento indicaron que el material expuesto a una mayor

temperatura poseía una tenacidad menor que la probeta a temperatura ambiente.

Por otra parte para medir la dureza del acero se utilizó un durómetro portátil, en

este caso los resultados obtenidos indicaron que a menor temperatura la dureza

del material es mayor que la probeta a 28°C.

Los resultados obtenidos en ambos experimentos, concuerdan con los esperados

de acuerdo a la teoría, la que nos indica que el acero al disminuir su temperatura

presenta una disminución de su tenacidad debido al cambio de tipo de fractura (de

dúctil a frágil) y un aumento de su dureza.

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INDICE

1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 5

2. MARCO TEÓRICO ........................................................................................... 6

1.1. Dureza. ...................................................................................................... 6

1.2. Tenacidad ................................................................................................. 7

1.3. Ensayo de Charpy. ................................................................................... 7

3. METODOLOGIA ................................................................................................ 10

4. RESULTADOS Y DISCUSIONES ..................................................................... 12

1.4. Probeta 1 ................................................................................................. 12

1.5. Probeta 2: ................................................................................................ 13

5. CONCLUSIONES .............................................................................................. 16

6. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 17

7. ANEXOS ........................................................................................................... 18

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INDICE DE TABLAS, IMÁGENES Y ECUACIONES

Tabla 1. Probeta 1. T=28[ºC] ................................................................................................ 12

Tabla 2. Probeta 1. T=-66[ºC] .............................................................................................. 13

Tabla 3. Datos medidos de probeta a 28 [ºC] ....................................................................... 18

Tabla 4. Datos medidos de probeta a -66 [ºC] ...................................................................... 19

Ecuación 1. Tenacidad Efectiva ........................................................................................... 10

Imagen 1. Escala de Dureza de Mohs..................................................................................... 6 Imagen 2. Ensayo de Charpy .................................................................................................. 8 Imagen 3. Curvas de Transición fragil-ductil para Aceros en función de su contenido de

Carbono .................................................................................................................................. 9

Imagen 4. Probeta para Ensayo de Charpy ........................................................................... 10 Imagen 5. Durezas Probeta a 28 [ºC] y -66 [ºC] ................................................................... 14

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1. INTRODUCCIÓN

En este informe se expondrá la metodología para llevar a cabo el laboratorio B del

curso Ciencias de los Materiales, correspondiente al “Ensayo de Charpy a

diferentes temperaturas”, además de exponer los resultados obtenidos.

Este laboratorio tiene como objetivo observar y comprender la importancia e

influencia de la temperatura en las propiedades mecánicas del acero, como son la

dureza y la tenacidad, para esto se realizará un ensayo de Charpy a dos probetas

de acero SE 1020 para medir su tenacidad y luego un durómetro para medir la

dureza presente en el material.

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2. MARCO TEÓRICO

1.1. Dureza.

La dureza de un material se define como la resistencia u oposición de un material a

ser deformado, rayado, fracturado, a la abrasión, etc. También se puede definir como

la cantidad de energía absorbida por parte de un material ante un esfuerzo

(independiente del tipo de esfuerzo al que este siendo sometido) justo antes de

romperse o deformarse. Existen distintos tipos de ensayos que miden la dureza de

los materiales, para contextualizar y fijar ideas explicaremos 2 de ellos:

Ensayo de Mohs:

Es utilizado en mineralogía y se ve representado en la escala de Mohs, Creada por

Friedrich Mohs en 1820, y mide a la resistencia de una material a ser rayado.

Imagen 1. Escala de Dureza de Mohs

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Ensayo de Vickers:

Para llevar a cabo este ensayo se debe utilizar como penetrador un diamante con

forma de pirámide cuadrangular. La dureza de Vickers (HV) se calcula a partir de la

fuerza de Newton y de la diagonal en milímetros cuadrados de la huella de la

pirámide. Para materiales blandos, los valores obtenidos en este ensayo son

coincidentes con la escala de Brinell.

1.2. Tenacidad

Es la energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura, por

acumulación de dislocaciones, está relacionada con la resistencia y la ductilidad. Por

ejemplo, materiales como el hierro fundido y el acero endurecido son pocos tenaces,

debido a que la ductilidad presente es muy baja, esto a pesar de la resistencia que

presentan (son duros). Es importante mencionar que un metal como el cobre es

bastante tenaz, pues su resistencia y ductilidad se comportan de buena forma, lo que

genera que sea un material ampliamente usado.

1.3. Ensayo de Charpy.

El ensayo de Charpy, es un dispositivo en forma de péndulo (imagen 2) ideado por

Georges Charpy, fue diseñado para determinar la energía de impacto o tenacidad de

un material. Para esto se toma una muestra con un entalle en el centro, la cual será

posteriormente impactada por el martillo. La probeta se debe ubicar de forma

horizontal y centrada, con el entalle opuesto a la cara que será golpeada. El péndulo

se ubica a una altura predefinida por la máquina, luego se deja en caída libre hasta

impactar a la probeta. Una vez realizado este proceso se toma nota de la energía

absorbida por la muestra (en Joules), que es calculada mediante la diferencia de

energía del péndulo antes y después del impacto.

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Imagen 2. Ensayo de Charpy

Un punto importante a destacar en este tipo de ensayos, es que se puede determinar

de forma sencilla la temperatura de transición desde frágil a dúctil. Esto se obtiene

mediante la realización de ensayos a iguales condiciones pero a distintas

temperaturas. Esto se realiza calentando o enfriando la probeta antes de realizar el

ensayo, además de hacer un seguimiento de los resultados, consiguiendo de esta

forma una serie de curvas que indican el comportamiento de cada material según la

variación de temperatura, como se muestra en la Imagen 3.

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Imagen 3. Curvas de Transición fragil-ductil para Aceros en función de su contenido de Carbono

Para materiales puros la transición dúctil-frágil ocurre a una temperatura determinada,

pero para materiales con distinto porcentajes en su composición puede a ocurrir en un

rango más amplio de temperaturas. La ductilidad de los materiales pueden mejorar o

empeorar manejando criterios de la micro estructura, como introducir átomos

intersticiales lo que proporciona un mayor endurecimiento en los materiales.

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3. METODOLOGIA

Para llevar a cabo la experiencia realizada en el laboratorio, es necesario tener dos

probetas de Acero SAE 1020, a distintas temperaturas, una expuesta a 28°C y otra a

-66°C, esta última se colocó en un recipiente que contenía hielo seco (CO2) para

disminuir su temperatura.

La probeta debe tener un entallado en forma de V justo al centro de una de sus

caras, como se muestra en la Imagen 4.

Imagen 4. Probeta para Ensayo de Charpy

Previamente a la realización del Ensayo es necesario medir la pérdida de energía

debido al roce presente en la máquina, para así no cometer errores sistemáticos en

las mediciones a realizarse con posterioridad.

Una vez realizado los pasos previos, se coloca la probeta de forma horizontal y con la

cara opuesta al entalle para ser golpeada por el martillo, este último se deja caer

golpeando la probeta, enseguida se toma el registro de la energía total absorbida que

muestra la pantalla, para así calcular la energía que realmente es absorbida por la

probeta (tenacidad efectiva), como lo muestra la ecuación N°1.

Ecuación 1. Tenacidad Efectiva

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Luego de llevar a cabo las mediciones de la tenacidad, se deben tomar las

mediciones de dureza. Para esto se utiliza la muestra ensayada, la que se ubica sobre

un disco de superficie lisa. Posterior a esto se procede a medir la dureza con el

durómetro portátil, el que se debe ubicar de forma vertical sobre la muestra, se

tomaron varias mediciones por cada probeta, para así poder realizar un análisis con

un menor sesgo.

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4. RESULTADOS Y DISCUSIONES

Para llevar a cabo el análisis de datos, se denotará probeta 1 al acero SAE 1020

expuesto a 28ºC (temperatura ambiente) y probeta 2 a la que se encuentra a una

temperatura de -66°C (Sometida a hielo seco).

Los resultados obtenidos durante el laboratorio fueron los siguientes:

Pérdida de energía por roce : 0.106 [Joule]

1.4. Probeta 1

Temperatura: 28º [Celsius]

Tenacidad : 38.905 [Joule]

Tenacidad Efectiva: 38.799

Dureza: Ver tabla

Tabla 1. Probeta 1. T=28[ºC]

Prueba N° Dureza (HV)

1 108

2 105

3 126

4 132

5 106

6 113

7 119

8 120

Media 116,13

Desviación Estándar 9,82

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1.5. Probeta 2:

Temperatura: -66º [Celsius]

Tenacidad: 4.032 [Joule]

Dureza: Ver tabla

Tabla 2. Probeta 1. T=-66[ºC]

Prueba N° Dureza (HV)

1 122

2 148

3 86

4 145

5 159

6 157

7 92

8 131

Media 130

Desviación Estándar 28,19

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Gráficamente, la dureza de las distintas mediciones para las dos temperaturas

utilizadas se puede ver a continuación:

Imagen 5. Durezas Probeta a 28 [ºC] y -66 [ºC]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 2 4 6 8 10

Du

reza

[H

V]

Mediciones

Dureza del Acero

Dureza Probeta. T= 28ºC

Dureza Probeta. T=-66 ºC

Respecto a los resultados obtenidos se puede apreciar que se comportan según los

parámetros esperados por la teoría, ya que se logró estimar que la dureza aumentaba

mientras la temperatura disminuía, al contrario del comportamiento de la tenacidad

que aumenta con la temperatura, por lo cual la Probeta 1 presentó mayor tenacidad y

menor dureza en contraposición a la Probeta 2 que su dureza fue considerablemente

mayor.

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A pesar de la concordancia apreciada a partir de los resultados experimentales, se

puede notar que la desviación estándar fue muy alta, sobre todo para el caso de la

Probeta 2, esto se puede deber a las siguientes razones:

Superficie de las probetas: Puede que las superficies hayan estado

parcialmente lisas, lo que generó errores en las mediciones.

Mediciones incorrectas en el durómetro: Puede que al momento de medir

con el durómetro, por inexperiencia del usuario, se haya realizado un mal uso

de este, dando errores en el proceso.

Presencia de inhomogeneidad del acero: Puede que hayan distintas

direcciones en donde la dureza del acero vaya variando, lo que se vería

reflejado en la diferencia de dureza medida a nivel experimental.

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5. CONCLUSIONES

En el laboratorio B correspondiente al ensayo de Charpy, se pudo notar el efecto que

tiene la temperatura sobre los materiales, en este caso Acero SAE 1020, para el caso

de la tenacidad se observó una relación directa con la temperatura y para la dureza se

tiene la situación inversa. Esto concuerda con lo esperado. Es importante señalar que

se esperaba una menor dispersión en los datos al medir la dureza, sobre todo en el

caso de la temperatura ambiente, pero no fue así dado los posibles errores

sistemáticos y aleatorios cometidos durante el desarrollo de la experiencia.

Finalmente es importante conocer los efectos de la temperatura sobre los distintos

materiales, en particular en el caso del acero, debido a la amplia utilización que

tienen, en particular para el caso de la construcción de debe tener en cuenta estos

ensayos, pues genera los estándares de seguridad necesarios dependiendo de la

zona geográfica en que se ubique la edificación. .

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6. BIBLIOGRAFÍA

1. Donoso, E., Ciencia de los materiales. Cuaderno de Trabajo. U-Cursos.

2. Alejandro Zúñiga Páez. Laboratorio No2 Ensayo de Charpy y Dureza. [En línea]

<https://www.u-cursos.cl/ingenieria/2006/2/ME42A/1/material_docente> [consulta:

01 de abril de 2014]

3. El ensayo de Charpy. [En línea] <http://es.scribd.com/doc/36859142/Ensayo-

Charpy> [consulta: 01 de abril de 2014]

4. Gabriel Calle Trujillo. Ensayo de impacto. [En línea]

<http://www.utp.edu.co/~gcalle/Impacto.pdf> [consulta:01 de abril de 2014]

5. Péndulo de Charpy. [En línea]

<http://es.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9ndulo_de_Charpy> [consulta: 01 de abril de

2014]

6. Dureza [en línea] <http://es.wikipedia.org/wiki/Dureza> [consulta:01 de abril de

2014]

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7. ANEXOS Tabla 3. Datos medidos de probeta a 28 [ºC]

Prueba N° Dureza (HV)

1 85

2 108

3 105

4 154

5 126

6 89

7 132

8 106

9 94

10 113

11 119

12 99

13 99

14 88

15 120

Media 109,13

Desviación 18,80

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Tabla 4. Datos medidos de probeta a -66 [ºC]

Prueba N° Dureza (HV)

1 87

2 122

3 148

4 86

5 196

6 263

7 86

8 145

9 159

10 196

11 157

12 92

13 131

14 103

Media 140.79

Desviación Estándar 52.08