INTRODUCCIÓN

En el presente informe, se realiza el estudio respectivo a la prueba de impacto más utilizada en ingeniería a piezas metálicas sometidas a cargas dinámicas, para determinar y valorar la resistencia de dichas piezas y su tendencia a fracturar frágilmente o de manera dúctil.

Por otro lado, en éste caso, se usaron tres piezas, un acero 1020 a temperatura ambiente, un acero 1020 a temperaturas aproximadamente de -40°C y una fundición gris también a temperatura ambiente, las cuales fueron sometidas al ensayo Charpy, además de un estudio metalográfico correspondiente.

OBJETIVOS

1. Determinar los criterios de valoración de la resistencia de las tres probetas a cargas de impacto.

2. Comparar las probetas usadas, teniendo en cuenta factores tales como temperatura, microestructura, comportamiento ante el ensayo, tratamientos térmicos realizados a cada pieza, entre otros.

3. Determinar el rango de temperatura de dúctil a frágil del acero 1020.4. Conocer el funcionamiento y manejo correspondiente a la máquina de ensayo de

impacto

MARCO TEÓRICO

¿Qué es el impacto?

Resistencia que opone el material a la penetración a carga dinámica, de un material más duro, su magnitud se mide por la energía absorbida por el material en el momento antes de fallar.

Esfuerzo de Impacto

Relación entre la energía absorbida por la rotura del material (Ei) y el área resistente (Ar).

Energía por rozamiento (Ef)

Energía absorbida por la máquina debido a la resistencia que opone el aire y los cojinetes de la máquina.

Energía total o de ensayo (Ee)

Energía leída durante el ensayo, corresponde a la sumatoria de la energía de impacto más la energía de rozamiento.

Ensayo de impacto Charpy

Ensayo creado por un francés llamado Augustin Georges Albert Charpy, en el año de 1909, el cual consiste en golpear una probeta entallada, con una profundidad de entalla de 2mm según la norma ASTM E-23, y con una longitud total de 55mm, un ancho y alto de 10mm respectivamente. El principio físico que trabaja éste dispositivos es en primera medida calcular el delta de

Figura 1. Máquina de Ensayo Charpy

altura, resultado de la altura inicial y la final, que posteriormente mediante la energía potencial, se calcula la energía absorbida en el proceso de fracturar la probeta. La velocidad que adquiere la masa al golpear la probeta queda determinada por la altura del péndulo. En la figura 1, se observa el arreglo experimental para llevar a cabo la práctica, además se muestra las dimensiones dispuestas por la norma ASTM E-23.

EQUIPO Y MATERIALES

1. Máquina de ensayo Charpy marca TREBEL.2. Martillo de Impacto3. Probetas: Fundicion gris, acero 1020 a temperatura ambiente y a temperaturas

bajo cero

PROCEDIMIENTO

1) En primera medida se realiza un ensayo al vacío o de frotamiento, para tener en cuenta en el momento de realizar los cálculos para hallar el valor de energía absorbida neta, debido a que hay una fricción con el aire y debido a los cojinetes de los apoyos de la máquina, se toman los datos de energía (Ef), ángulo (Ge) y esfuerzo (τ).

2) Luego se ubica cada probeta en el porta espécimen, luego se eleva el péndulo y se engatilla, se debe tener en cuenta que la entalla se dispone de manera opuesta de donde el martillo impacta a la probeta.

3) Se libera el martillo y luego del impacto, se toman los datos arrojados por el ensayo

4) Se calcula la energía absorbida, la altura final y el ángulo de ensayo, para cada probeta se realizan los pasos 3,4 y 5.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

En primera medida se realiza el estudio metalográfico correspondiente a cada probeta ensayada, lo cual, da un indicio del comportamiento de cada material al ser ensayado en la máquina de Charpy. A continuación en la figura 2, se muestra la micrografía tomada a la fundición gris, la cual según la norma ASTM A48-41, es de tipo D, de tamaño 6.

Figura 2. Micrografía de una fundición gris. Aumentada 100X

Grafito

Cementita F3C

Debido a la distribución de grafito, hace una pieza de alta dureza y frágil, posee una baja temperatura de fusión, es fluida en estado líquido y es de bajo costo, baja resistencia al impacto y baja ductilidad.

Por otro lado, del acero 1020 se obtuvieron la siguiente micrografía:

Figura 3. Micrografía de un acero 1020. Aumentada 500X

Ferrita

Perlita

En el caso de éste acero, tenemos un porcentaje de carbono aproximado del 0,2% C, mostrando microestructuralmente una fase α (Ferrita) y el eutectoide Perlita, obtenido en condiciones de equilibrio. Éste acero, debido a que es un acero con bajo porcentaje de carbono y la presencia mayoritaria de ferrita, lo hace más dúctil comparándolo con la fundición gris, lo que en el ensayo de Charpy implica que absorberá más energía. Cabe resaltar que debido a su bajo porcentaje de carbono no puede ser templado y que se usa industrialmente en su estado normalizado para piñones, elementos de maquinaria, tornillos, cadenas, prensas entre otras aplicaciones, además se evidencia un alargamiento de los granos de ferrita, debido a que las micrografías se tomaron en la parte longitudinal de la muestra, indicando que el acero fue previamente laminado en frio para endurecerlo.

En ese orden de ideas para el correspondiente análisis de los resultados obtenidos durante la práctica de impacto, los datos tomados fueron los siguientes:

Material de la probeta

Energía [m.Kg]

Esfuerzo [m.Kg/cm2

]

Ángulo

Ensayo al vacío 0,25 0,3 1,5°

Acero 1020 6,25 8,5 31°

Fundición gris 0,4 0,5 2,8°

Acero 1020 T≈ -35◦C

0,75 1 5°

Tabla 1. Lecturas tomadas de la máquina de ensayo para las tres probetas.

En seguida de la tabulación de los datos iniciales, para el cálculo respectivo de los diferentes parámetros del ensayo de impacto, en base a la figura 4, en la cual se observa la altura potencial o de reposo del péndulo (Hp), la altura Hs, el ángulo G y el ángulo β=151° y el radio del brazo del martillo que es de 80,5 [cm].

Para el cálculo posterior, se realiza un cálculo tipo para el acero 1020 a temperatura ambiente se usaron las siguientes expresiones matemáticas:

Ei=Ee−Ef (1)

Ei=6,25−0,25=6 [m∗kg ]

Gi=¿−Gf (2)

Gi=31°−1,5=29,5 °

H p=R [1+sin (61 ) ](3)

H p=0,085 [1+sin (61 ) ]=1,4636 [m ]

H e=Hp−Hse (4)

H e=1,4636−1,17046=0,2931 [m ]

H f=Hp−Hsf (5)

H f=1,4636−1,4525=0,0111[m ]

H i=Hp−Hsi (6)

H i=1,4636−1,1873=0,2763 [m]

H se=R ¿ (7)

H se=0,805¿

H sf=R[1+sen (61−Gf )] (8)

H sf=0,805¿

H si=R[1+sen (61 °−Gi )](9)

H si=0,805 [1+sen (61 °−29,5 ° ) ]=1,1873 [m]

De donde:

Ei=Energía neta realEe=Energía de ensayoEf= Energía del ensayo al vacíoGi=Grado neto realGe=Grado de ensayoGf=Grado ensayo al vacíoHp=Altura potencial (martillo en reposo)Hi=Altura realHe=Altura de ensayoHf= Altura del ensayo al vacío

Material de la

probeta

Ei [m-Kg]

Ee[m-Kg]

Ef[m-Kg] Ge° Gf° Gi°

Hp [m] He Hf Hi

τi [Kg-m/cm

2]

τi obtenido [Kg-m/c

m2]

τi Neto

Ensayo al vacío

0 0,25 0,25 1,5° 1,5° 0 1,46360,0111

0,0111 0

0 0,30,3

Acero 1020

6 6,25 0,25 31° 1,5° 29,5°

1,46360,2931

0,0111 0,2763

0,0109091 8,58,4890909

Fundición gris

0,15 0,4 0,25 2,8° 1,5° 1,3° 1,46360,021

0,0111 1,4735

0,0002727 0,50,4997273

Acero 1020 T≈ -

35◦C0,5 0,75 0,25 5° 1,5° 3,5° 1,4636

0,03830,011

1 1,49080,0009091 1

0,9990909Tabla 2. Datos obtenidos a partir de los datos iniciales

Figura 4. Martillo de la máquina de Charpy.

Hse[m] Hsf[m]

Hsi[m]

1,4525 1,4525 1,46361,17046 1,4525 1,1873

1,4426 1,4525 -0,0099

1,4253 1,4525 -0,0272

CONCLUSIONES

Para el acero AISI 1020, se tiene una temperatura de transición entre -5°C y 5°C, mostrando una alta fragilidad o baja absorción de energía a la temperatura de -40 °C, sin embargo, las propiedades de ductilidad mostradas a temperatura ambiente son diferentes, debido a que hubo un gran absorción de energía, además durante la realización de la práctica la muestra no rompió en dos partes.

En la tabla 2, donde se encuentran registrados todos los resultados, se observa que el acero a bajas temperaturas es más frágil que la fundición gris, debido a la poca energía absorbida por el acero.

Durante el ensayo se demostró que a mayor altura y a mayor ángulo alcanzado por el martillo, hay mayor ductilidad en la muestra ensayada, conclusión demostrada por los datos obtenidos para el acero 1020 a temperatura ambiente, el cual fue la probeta que presentó mejores propiedades de ductilidad.

La microestructura es un factor fundamental a la hora de describir el comportamiento dúctil o frágil de un material, brinda una idea previa de lo que se obtiene en el ensayo de tenacidad o ensayo Charpy, también el factor temperatura implica la variación de los resultados obtenidos.

BIBLIOGRAFÍA

CALLISTER, William. Introducción a la ingeniería de los materiales. Editorial Revertré.LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES, Universidad Tecnológica de Pereira. Gabriel Calle Trujillo:http://www.utp.edu.co/~gcalle/Impacto.pdfCURSO DE FUNDAMENTOS DE CIENCIA DE MATERIALES, Universidad Tecnológica de Valenciahttp://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/fcm2_5.htmlDIETER. George, “Mechanical metallurgy”, 3th editions, editorial McGraw Hill, 1985.