PRCTICA N 3

PRCTICA N 2I.-TITULO:

ENSAYO DE IMPACTO CHARPY

II.-OBJETIVOS:

2.1.-Estudiar los fundamentos tericos-prcticos sobre la prueba o Ensayo de Impacto Charpy.

2.2.-Determinar la tenacidad en presencia de entalla de un material sometido a carga de impacto, por medio de un Ensayo Charpy a diferentes temperaturas.

2.3.-Experimentar como se determina la temperatura de transicin del material ensayado a impacto.

2.4.-Aplicar el conocimiento de tenacidad en presencia de entalla (Ensayo Charpy) para la solucin de problemas tericos y prcticos.

III.-FUNDAMENTO TEORICO:

3.1.-TENACIDAD: La tenacidad es una medida de la cantidad de energa que un material puede absorber hasta el punto de fractura. Se puede determinar por un ensayo de traccin de forma indirecta, calculando el rea bajo la curva esfuerzo-deformacin (). Tambin de manera directa por un ensayo de impacto.3.2.-ENSAYO DE IMPACTO: Es un ensayo destructivo muy importante dentro de la mecnica de los materiales, que consiste en someter a muestras estandarizadas bajo la sucesin rpida de deformacin elstica, plstica y finalmente la fractura.

Este ensayo nos puede proporcionar la tenacidad a la entalla o cantidad de energa absorbida por el material, as tambin determina si el material experimenta una transicin dctil frgil al disminuir la temperatura y en que intervalo de temperatura ocurre. Esto es posible con este tipo de ensayo, porque existe una cada de energa muy marcada entre la rotura dctil y la rotura frgil, lo que hace relativamente fcil determinar los lmites de un intervalo de transicin dctil-frgil.

El ensayo de impacto es til porque permite comparar y seleccionar materiales, mas no permite disear secciones de materiales que contengan grietas o defectos. Se utiliza en la industria aeronutica y automotriz, pues realizando esta prueba garantizan un servicio satisfactorio de las piezas que puedan experimentar cargas de choque o de impacto. Existen dos mtodos diferentes muy generalizados (propuestos por Izod en 1903 y por Charpy en 1909), para evaluar la tenacidad de un material. Se denominan ensayos Charpy e Izod. Diferencias entre los dos ensayos; la diferencia entre los dos radica en la forma como se posiciona la probeta, en el ensayo Izod la muestra es colocada en posicin vertical y en el ensayo Charpy la muestra es colocada en posicin horizontal; la cada del martillo, en el ensayo Izod es en la direccin de la cara entallada y en el ensayo Charpy es en el lado opuesto de la cara entalla; la posicin de la entalla, en el ensayo Izod es a 28 mm del borde exterior al golpe del martillo y en el ensayo Charpy es en el centro de la muestra; las dimensiones de la probeta, en el ensayo Izod 75x10x10 o de seccin cilndrica y en el ensayo Charpy 55x10x10; la determinacin de la temperatura de transicin dctil-frgil, en el ensayo Izod se lleva tanto a las mordazas como a la probeta a la temperatura de anlisis y en el ensayo Charpy solo a la probeta.

La probeta que se utiliza para ambos ensayos es una barra de seccin transversal cuadrada dentro de la cual se ha realizado una entalla. Esta probeta se sostiene mediante mordazas paralelas que se localizan de forma horizontal en el ensayo tipo Charpy y de forma vertical en el ensayo tipo Izod. La muestra Charpy se asemeja a una viga sencilla soportada en ambos extremos, mientras que la muestra Izod se asemeja a una viga volada.

Figura 1.- Forma como sern colocadas las probetas Izod y Charpy en el equipo para ser impactadasLos ensayos dinmicos de choque se realizan generalmente en mquinas denominadas pndulos o martillos pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada. Los valores obtenidos en estos ensayos son nicamente comparables, en materiales con propiedades similares ya sean siempre dctiles o frgiles, cuando se realizan sobre el mismo tipo de probeta y en idnticas condiciones de ensayo.La mquina de ensayo determinar el trabajo absorbido por el material cuando ste es roto de un solo golpe por la masa pendular y su valor en kgmf o Joule, o relacionndolo con la seccin o volumen de la probeta, segn el mtodo nos indicar la resistencia al choque o capacidad del material para absorber cargas dinmicas de impacto.El principio de funcionamiento de las mquinas utilizadas es el que ilustra esquemticamente la figura 2, en donde una masa o peso G asegurada a una barra que puede girar libremente sobre un eje 0, es elevada a una altura h1, desde su posicin vertical de reposo, la que tambin es posible indicar por el ngulo 1Si en estas condiciones se la deja caer y en el punto P, ubicado sobre la vertical del desplazamiento del pndulo, se coloca una barra de un material determinado, la masa al chocar con ella producir su rotura, si la energa que posee el pndulo es mayor que la necesaria para alcanzarla, en cuyo caso continuar su trayectoria elevndose hasta una altura h2 indicada tambin por el ngulo 2.

Figura 2.- Forma como cae el martillo e impacta la probeta en el Ensayo CharpyEl trabajo empleado entonces en romper la barra ser la diferencia entre la energa inicial del pndulo y la que posee al final de su carrera.

Ao = Al - A2Al = G. h1 y A2 = G. h2Ao = G (h1 - h2)

Y en funcin de los ngulos, tenemos: h1 = OP - OA en donde OP es el brazo del pndulo igual a R. Del tringulo OAB

OA = R. Cos(1) reemplazando

h1 = R - R cos 1 = R (1 cos 1)

Procediendo en igual forma para la altura despus del choque

h2 = R - R cos 2 = R (1 - cos 2)

Reemplazando estos valores en la diferencia de trabajos, nos queda

Ao = GR (1 - cos 1) - GR (1 cos 2)

Ao = GR (cos 2 cos 1)

El valor numrico en kilogrmetros o en Joule del trabajo gastado para producir la rotura queda indicado sobre una escala convenientemente graduada que posee la mquina, o bien resulta de la frmula anterior en donde los valores de los ngulos se miden sobre un cuadrante que se encuentra en la parte superior de aqulla.

El trabajo o energa registrada ser considerada aceptable cuando las prdidas por friccin entre las partes metlicas de la mquina, para la marcha en vaco, sea inferior al 0,4 % de la energa mxima.

En ambos casos (Ensayo Izod o Charpy), la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, por lo que se los denomina flexin por choque.Adems, en la determinacin de las temperaturas de transicin de aceros estructurales, las normas aconsejan el empleo de martinetes con probetas especiales (mtodo A.S.T.M).

Dada la gran dificultad que existe en la evaluacin del volumen deformado, es que el trabajo total de deformacin no se define como la energa por unidad de volumen como lo hacamos en traccin esttica "Capacidad de Trabajo de Deformacin", sino por la energa requerida para provocar la rotura por unidad de rea de la seccin transversal entallada, o directamente por la energa absorbida.3.3.-FLEXION POR CHOQUE SOBRE BARRAS SIMPLEMENTE APOYADAS (METODO CHARPY): Con la finalidad de que el material est actuando en las ms severas condiciones, el mtodo Charpy utiliza probetas entalladas (estado triaxial de tensiones) y velocidades de deformacin de 4,5 a 7 m/s, siendo el entorno recomendado por las normas el de 5 a 5,5 m/s.

Figura 3.- Forma como colocar la probeta CharpyLas probetas se colocan, como muestra la figura 4, simplemente apoyadas sobre la mesa de la mquina y en forma tal que la entalladura se encuentra del lado opuesto al que va a recibir el impacto. En la misma figura se puede observar la correcta posicin del material como as tambin la forma y dimensiones de los apoyos y de la masa del martillo pendular.

Respecto al "filo" o extremo de la masa pendular, la norma A.S.T.M. E-23 indica que debe presentar un ancho de aproximadamente 4 mm, redondeado con un radio de 8 mm.

Las probetas utilizadas por Charpy eran de seccin cuadrada de 30 mm de lado por 160 mm de largo y la entalladura de 1 mm de ancho con una profundidad de 15 mm terminaba en un orificio de 2 mm de dimetro; para sus ensayos la luz entre los bordes de los apoyos era de 130 milmetros. Estas probetas son muy poco utilizadas en la actualidad, siendo reemplazadas por otros tipos que mantienen, en algunos casos, idntica forma pero de menores dimensiones, las que varan de acuerdo a las normas utilizadas. La eleccin del tipo de probeta depende del material a ensayar, adoptndose para cada caso la que d resultados ms satisfactorios; en general se emplean las de entalladuras ms profundas y de menor ancho para los metales ms dctiles.

Las I.R.A.M. aconsejan realizar el ensayo de choque por el mtodo Charpy, con el empleo de probetas entalladas aprobadas por I.S.O. (International Standards Organization, ex I.S.A.) que tienen las dimensiones indicadas en la figura 4, pudiendo reducirse la profundidad de la entalladura, para materiales de poca resistencia a la flexin por choque, a 3 mm para el tipo B y a 2 mm para el C, obtenindose en este ltimo caso la probeta denominada Msnager.

Figura 4.-Probetas Charpy (A: en V; B: en ojo de cerradura; C: en U)Las probetas indicadas en la figura 4 son usadas preferentemente para el ensayo de metales ferrosos. La norma DIN 50116 indica para el cinc y sus aleaciones, probetas sin entallas de secciones cuadradas y trapeciales. La seccin cuadrada de 6 X 6 mm se emplea en aleaciones forjadas y la trapecial de 6,1 X 5,9 X 6,0 mm de altura para aleaciones de fundicin inyectable; en todos los casos el largo de las probetas es de 75 mm, mantenindose la luz entre apoyos en 40mm.

El impacto sobre las probetas de seccin trapezoidal debe darse en la cara ms angosta.

La resiliencia o resistencia al choque resulta, segn este mtodo, el trabajo gastado por unidad de seccin transversal para romper al material de un solo golpe:

Resiliencia = K = Ao/S (kgfm/cm2 0 joule/cm2)

En la actualidad se tiende a evitar el clculo de la resiliencia, expresndose los resultados de ensayos simplemente en trminos de energa de rotura.3.4.-TEMPERATURA DE TRANSICION: La determinacin del rango de temperaturas, en el cual se produce la transicin dctil-frgil de un material, a travs del ensayo de Charpy, tiene la gran ventaja con respecto a otros estados de tensin y de velocidad de deformacin, de que existe una gran correlacin entre los resultados obtenidos en laboratorio con los observados en servicio.Ensayos de Charpy con probetas tipo A (Charpy en V), a distintas temperaturas, han demostrado que el aumento progresivo de la misma provoca un aumento de la energa de impacto, hasta estabilizarse para determinados valores de energa y que la transicin en el comportamiento se produce en un rango de temperaturas, de amplitud variable con el material de ensayo. Al no existir una nica temperatura de transicin su determinacin ser puramente convencional, variando para un material dado segn las especificaciones utilizadas.

Figura 5.-Diferentes zonas que se muestran en la curva de transicin dctil-frgilDos son los mtodos que basan su definicin en valores de energa y un tercero, adoptado por ASTM, lo hace como relacin entre las superficies de arrancamiento y deslizamiento:

a) Temperatura para la cual la energa absorbida es 15 lb-pie (21 joule), Tdab) Temperatura correspondiente a una energa de rotura igual al valor medio entre las correspondientes a las asntotas de la funcin Energa-Temperatura, Tdb

c) Temperatura en que se obtienen iguales superficies de rotura frgil y dctil.Aqu se debe hacer una caracterizacin de la superficie de fractura obtenida en las probetas a las distintas temperaturas en las que se realizo el ensayo.3.5.-SUPERFICIE DE ROTURA: Las fracturas por flexin por choque se originan por accin de las tensiones normales mximas en el plano de la entalla, variando desde la completamente frgil, cristalina brillante u opaca, hasta la completamente dctil por deslizamiento o fibrosa.En los estados intermedios de roturas cristalino-fibrosas, la misma se origina por arrancamiento en la zona central prxima a la entalla y concluye por deslizamiento en los bordes, variando paulatinamente la relacin superficial entre ambas roturas con el material y la temperatura.3.6.-FLEXION POR CHOQUE DE BARRAS EMPOTRADAS (METODO IZOD): En el mtodo Izod la probeta se coloca en voladizo y en posicin vertical, siendo asegurada por la mesa de apoyo de modo tal que la entalladura quede en el plano de las mordazas; en estas condiciones el extremo del martillo golpea al material a 22 mm de las mismas, como indica la figura pudiendo realizarse ms de un ensayo sobre la misma probeta, cuando se emplean las del tipo b de la figura 8, la que tambin puede construirse de seccin circular, que presenta la ventaja de que permite determinar la energa de rotura sobre caras o generatrices opuestas y a diferentes profundidades de la muestra.

Figura 6.- Forma como colocar la probeta IzodLa probeta standard Izod es la indicada en la figura 6, pudindose emplear la redonda de la figura 7, que da resultados similares y, por lo tanto, comparables con los obtenidos con la normal, presentando la ventaja sobre sta de su mayor facilidad de maquinado. En estas pruebas, los valores de ensayos se dan directamente por la energa de Impacto en kgfm o Joule, no siendo recomendable su uso para temperaturas distintas de la ambiente.

Figura 7.- Probeta Izod de seccin redonda3.7.-CONDICIONES DE ENSAYO PARA FLEXION POR CHOQUE:1) Las probetas presentarn sus dimensiones dentro de las tolerancias indicadas en las normas respectivas, debido a que el tamao de las mismas influye en los valores de ensayo.

Las probetas deben terminarse sin marcas de herramienta, sin llegar necesariamente a su pulido, especificando claramente la forma de extraccin con respecto a la direccin de laminado, por producirse modificaciones significativas en el comportamiento de los metales bajo efectos de impacto con la orientacin relativa de la probeta con el laminado (figura 8). En la figura 8, muestra la forma tpica de las curvas energa-temperatura para probetas cortadas longitudinal y transversalmente de una plancha laminada, las probetas A y B estn orientadas longitudinalmente (respecto a la direccin de laminacin), en la probeta A la entalla es perpendicular a la chapa y en la probeta B la entalla es paralela. Generalmente se prefiere la orientacin de la entalla de la probeta A. En la probeta C la entalla tiene la misma orientacin, pero la probeta es transversal a la direccin de laminacin. Las probetas transversales se emplean cuando la distribucin de las tensiones puede provocar la propagacin de la grieta paralelamente a la direccin de laminacin.

Figura 8.-Orientacin relativa de las probetas de impacto con el laminado2) Las entalladuras tienen gran influencia en los resultados del ensayo, especialmente por el radio de la curva de enlace, por lo que las mismas deben realizarse con gran exactitud mediante el empleo de mechas, presas o amoladoras, presentando sus caras sin ralladuras ni marcas y perfectamente paralelas segn el tipo de probeta.

Definida la temperatura de transicin en trminos de la energa absorbida, el cambio de entalla provoca una variacin de importancia no slo en la forma de la transicin sino tambin en el valor de temperatura en la que se produce

Figura 9.- Variacin en la absorcin de energa con respecto a la entalla de la probeta de impactoEs de resaltar la gran dispersin obtenida para la probeta tipo B en el entorno de la transicin dctil-frgil, rea rayada de la figura.

3) La temperatura del ensayo deber ser de 20 1 C, o bien la especificada para el material; si se emplea el mtodo Charpy las probetas pueden ser llevadas a la temperatura deseada y ensayadas inmediatamente, no as para el mtodo Izod en donde tambin deber calentarse o enfriarse el soporte donde van empotradas. En ambos mtodos la muestra debe alcanzar el equilibrio trmico en toda su masa, condicin que se cumple manteniendo la probeta a la temperatura deseada ms de 5 min., si el medio refrigerante es liquido, o ms de 60, si es gaseoso. Para ensayos a altas temperaturas el tiempo mnimo de permanencia ser de 10 a 60 min., segn que la temperatura resulte inferior o no a los 260 C respectivamente.Para el calentamiento o enfriamiento en bao liquido (aceite, aire, nitrgeno, acetona, metanol), usar un contenedor adecuado, el cual tiene una rejilla u otro tipo de dispositivo para el posicionamiento de la probeta. Cubrir las probetas cuando estn sumergidas con al menos 25 mm (1pulgada) del lquido o la base del contenedor, y ninguna parte de la probeta debe estar en contacto con el contenedor.Tabla N 1: Medios de enfriamiento y calentamiento recomendados para las probetas.TEMPERATURA DE PRUEBAMEDIO

500 a 200 CGas (usar horno)

200 C a T ambienteAceite a elevada temperatura (bao aceite)

0 CHielo fundido y agua

0 C a -70 CAlcohol o acetona y trozos de hielo seco

-70 C a 155 CIsopentano enfriado con nitrgeno lquido

-196 CNitrgeno lquido

4) La velocidad de impacto modifica los valores de la energa de rotura: el aumento de la velocidad en la aplicacin de la carga produca un aumento en el valor del limite de fluencia, pero disminua ligeramente la ductilidad del material; de la misma manera, en los ensayos de choque el aumento de la velocidad de impacto produce un aumento en su fragilidad o en otras palabras una disminucin en la energa de rotura.

5) Se verificar la correcta posicin del pndulo y de la probeta teniendo presente que, cuando aqul se encuentra suspendido, el extremo redondeado del martillo Charpy o el borde del Izod debern tocar levemente el material a ensayar.

6) La probeta se colocar de modo que el centro de la entalladura coincida con el plano que recorre el eje del martillo o bien la coincidencia se producir con el eje longitudinal de la probeta, en el mtodo Izod.

7) La arista del martillo Charpy deber entrar en contacto simultneo con todo el ancho de la cara de la probeta opuesta a la entalladura.

Para satisfacer estas tres ltimas condiciones las mquinas presentan calibres de control.

8) Los pndulos standard utilizados tendrn alcances mximos de 300 10 Joule para el ensayo Charpy y de 162,3 3,4 Joule para el Izod, con un error permitido de hasta 0, 5 %.

9) El valor de energa absorbida resultar siempre del promedio de tres determinaciones como mnimo y, en el caso de ensayos a temperaturas distintas de la ambiente, se deber calentar o enfriar a las probetas simultneamente.

10) Los valores de la velocidad, energa de impacto, temperatura de ensayo y tipo de probeta utilizada, debern consignarse al comienzo del informe sobre la- experiencia realizada.

A

B

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