ENSAYO DE IMPACTO MÉTODO DE CHARPY

YICETH BERMUDEZ ALBAN

IVAN DIAZ ANDRADE LEIDY GARZON MOLINARES KATHLEEN MENDEZ MOLINA ANDRES RODELO SEGURA

GRUPO DD

25/09/2012

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCION ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 2

OBJETIVOS ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

MARCO TEORICO --------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

MATERIALES Y EQUIPOS------------------------------------------------------------------------------------------ 5

PROCEDIMIENTO Y MONTAJE ---------------------------------------------------------------------------------- 6

MODELO MATEMÁTICO ------------------------------------------------------------------------------------------ 7

CÁLCULOS ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 9

CONCLUSIÓN ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 15

ANEXOS ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------16.

BIBLIOGRAFÍA ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 17

INTRODUCION

En el siguiente laboratorio daremos a conocer más acerca de la prueba de

impacto, que es la energía necesaria para romper una probeta sometida a una

carga de choque, por el método de charpy el cual consiste en la rotura de una

probeta entallada colocada entre dos apoyos mediante un solo golpe.

El creador de esta prueba fue el francés Agustín Georges Albert Charpy (1865-

1945). A través del mismo se puede conocer otra propiedad importante de los

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

considera materiales dúctiles a aquellos que pueden deformarse

considerablemente antes de llegar a rotura. Para este tipo de materiales existen

dos teorías, la teoría de la máxima tensión cortante y la teoría de la máxima

energía de distorsión. Y Se dice que un material es frágil cuando es muy poca la

deformación que presentan antes de romperse. Para este tipo de materiales

existen dos teorías, la teoría del máximo esfuerzo normal y el criterio de falla de

Mohr.

La falla de un material está íntimamente ligada con su capacidad de absorber la

energía cinética del cuerpo que produce 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

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

Determinar la energía absorbida por la probeta y compararla con el valor

tomado en la práctica.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Estudiar el comportamiento de los diferentes materiales utilizados en el

laboratorio.

Determinar la velocidad del ensayo al igual que la fuerza que se utilizó en

cada probeta.

Observar la forma de las probetas después de los impactos.

pág. 3

MARCO TEÓRICO

El método charpy, emplea el principio del péndulo para la aplicación de la carga.

Normalmente se utilizan pequeñas probetas ranuradas, quebradas en flexión. La

probeta queda apoyada como una viga simple. Los resultados en los ensayos de

impacto, en muchos materiales, son muy sensitivos a los cambios de temperatura

dentro del rango atmosférico normal. Por esta razón la temperatura del ensayo es

un dato importante.

Este ensayo permite calcular la resistencia que ofrece un cuerpo a la penetración

por acción dinámica. El ensayo se trata de golpear y romper una probeta

seleccionada, maquinada o pulida superficialmente y en forma usual ranuradas,

midiendo a su vez la energía absorbida al romperse la probeta.

Los mecanismos de fracturas se dividen en frágiles y dúctiles y están íntimamente

ligados a la cantidad de deformación plástica que antecede a la rotura. La fractura

en los metales ocurre generalmente por uno de los siguientes mecanismos:

FRACTURA DÚCTIL

En el que se distinguen tres etapas: nucleación de microfisuras o de cavidades,

crecimiento a nivel micro estructural de las cavidades o de las microfisuras,

coalescencia y crecimiento de microfisuras hasta la rotura final. Este mecanismo

de falla se forma a debido a que las partículas finas que conforman el material

pierden coherencia con la matriz cuando se presenta la deformación plástica a

causa de esfuerzos cortantes, lo que induce la formación de micro vacíos, los

cuales se unen para formar una superficie de fractura continua.

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DESCOHESIÓN TRANSGRANULAR (CLIVAJE)

Es un mecanismo de fractura frágil en el que se evidencian cortes de planos de

superficie lisa y brillante. La propagación de la grieta se relaciona con la sucesiva

y repetida rotura de enlaces atómicos a lo largo de planos cristalográficos bien

definidos. Este tipo de fractura se dice que es Transgranular, debido a que las

grietas pasan a través de los granos que constituyen el material. Este mecanismo

genera fallas catastróficas en maquinas y estructuras debido a la alta velocidad de

propagación de las grietas.

FRACTURA INTERGRANULAR

Mecanismo de fractura frágil. La propagación de la grieta ocurre a lo largo de los

bordes del grano que constituye el material.

MATERIALES Y EQUIPOS

Máquina para ensayo de impacto.

Probetas de: Acero, bronce, cobre, aluminio y abarco.

Calibrador.

LAS DIMISIONES DE CADA PROBETA SON:

Sección transversal cuadrada de 6x6 mm

Largo de 50mm

Espesor por debajo de entalle: 4mm

Las probetas de madera serán 6: 3 fibras horizontales y 3 fibras verticales.

NORMA ASTM E-23:

La normativa ASTM E23 describe las pruebas de impacto de probetas metálicas

entalladas. En este tipo de normas se dan requisitos para muestras de ensayo,

procedimientos de prueba, informes de pruebas, máquinas de ensayos que

verifican el método utilizado, en este caso, el método de charpy.

Además, brinda pautas para determinar el porcentaje de fractura de cizallamiento

en la superficie de impacto de probetas rotas. La norma hace referencia tanto a

Charpy

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PROCEDIMIENTO Y MONTAJE ENSAYO DE IMPACTO POR EL METODO DE

CHARPY

ENERGÍA DE FROTAMIENTO

Se sitúa el péndulo hasta la posición más elevada de la máquina y se fija con

un gancho de seguridad.

Posteriormente se confirma que el dial marque un Angulo de 0° y una energía

de 0 julios.

Cuando este todo el sistema listo se procede a soltar el tornillo para liberar el

péndulo y que este inicie su oscilación.

Finalmente, cuando el péndulo alcance la altura final, es decir una oscilación

completa, se toman las lecturas del ángulo y la energía final directamente del

dial.

ENERGÍA ABSORBIDA POR LAS PROBETAS

A continuación se repite el procedimiento anterior pero colocando cada una de las

probetas en la base de la máquina, de modo que quede como una viga

simplemente apoyada y con el entalle del lado opuesto al del impacto.

Al final se tendrá los datos correspondientes a los ángulos de frotamiento y de

impacto y la energía de frotamiento e impacto, y se procede a realizar los

cálculos.

CONSIDERACIONES:

Las velocidades de deformación recomendadas por la norma están entre 5 y

5.5m/s.

El borde de la masa pendular debe tener un ancho de aproximadamente

4mm, redondeado con un radio de 8mm.

La arista del martillo charpy deberá entrar en contacto simultaneo con todo el

ancho de la cara de la probeta opuesta a la entalladura.

Velocidad del impacto modifica los valores de la energía de rotura.

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MODELOS MATEMÁTICOS

A continuación se presentan los modelos matemáticos para calcular la energía

absorbida y la resiliencia de las probetas.

Dónde:

H1: Altura inicial del péndulo.

H2: Altura final del péndulo, después del impacto.

R: Brazo del péndulo, 39cm.

Angulo después del impacto.

Dónde:

Masa del péndulo (kg) = 2.5kg

g: Aceleración de la gravedad

Et: Energía total (Julios)

Dónde:

Energía de frotamiento.

El valor calculado de la energía absorbida debe coincidir con el marcado en el dial

del equipo de impacto.

pág. 7

ENERGÍA DE IMPACTO

Dónde:

Energía de impacto

S = Área de corte de sección transversal. (Ancho de probeta x espesor debajo del

entalle.

CALCULO DE ESFUERZO

Velocidad del ensayo

Aceleración de ensayo

Fuerza de impacto

pág. 8

CÁLCULOS

En esta parte del informe se encontraran todos los cálculos realizados para

obtener la energía absorbida, la resiliencia, la energía de impacto y los esfuerzos

de las probetas utilizadas dentro del laboratorio (cobre, bronce, acero, aluminio y

madera).

Para estos cálculos es necesario tener en cuenta:

Que el ángulo de frotamiento inicial es de 151º y la energía de frotamiento es

5 joules.

Las dimensiones de las probetas:

Probetas

Material Sección transv. Longitud Espesor B.E

Cobre

1 1,3cmx1,1 cm 5,5 cm 0,8 cm

2 1,3cmx1,1 cm 5,5 cm 0,8 cm

Bronce 1,1cm x 1,1cm 5,5 cm 0,9 cm

Aluminio 1,1cm x 1,1cm 5,5 cm 0,7 cm

Acero 10-40 1,1cm x 1,1cm 5,4 cm 0,8 cm

Abarco Horizontal

1 1,3cm x 1,5cm 5,5cm

2 1,5cm x 1,5cm 5,4cm

3 1,4cm x 1,4cm 5,4cm

Abarco Vertical

1 1,5cm x 1,3cm 5,6cm

2 1,3cm x 1,4cm 5,6cm

3 1,4cm x 1,2cm 5,6cm Tabla. Datos tomados en el laboratorio.

pág. 9

Material Angulo de

frotamiento Energía de frotamiento

Cobre

1 103 5,7 joules

2 82 8,5 joules

Bronce 111 4,6 joules

Acero 75 9,4 joules

Aluminio 101 5,8 joules

Abarco fibras v.

1 125 2,9 joules

2 122 3,2 joules

3 81 8,9 joules

Abarco fibras h.

1 151 0,6 joules

2 151 0,58 joules

3 151 0,58 joules

Tenemos más de un valor para algunos materiales, como es el caso del

abarco, tanto en fibras horizontales como en verticales. Y en estos casos se

Procede a hallar un promedio entre ellos.

Promedio del ángulo de frotamiento del abarco en fibras verticales:

Promedio del ángulo de frotamiento del abarco en fibras horizontales:

Procedemos hallar la altura inicial y final del péndulo. Pero cabe resaltar que la

altura inicial del péndulo es estándar para todos los materiales. La única que varía

es la altura final

.pág. 10

H1= 0,39m * (1 + sen (161°- 90°))

H1= 0,75m altura inicial del péndulo

Y la altura final del péndulo para cada material:

COBRE 1: α1=151° α2=103°

H2= 0,39m * (1- cos (103°) H2= 0,47m

COBRE 2: α2= 82°

H2= 0,39m * (1- cos (82°)) H2= 0,33m

BRONCE: α2= 111°

H2= 0,39m * (1- cos (111°)) H2= 0,52m

ACERO: α2= 75°

H2= 0,39m * (1- cos (75°)) H2= 0,28m

ALUMINIO: α2= 101°

H2= 0,39m * (1- cos (101°)) H2= 0,46m

ABARCO

FIBRAS HORIZONTALES: α = 151º

H2= 0,39m * (1- cos (151°)) H2= 0,73m

FRANJAS VERTICALES: α = 109º

pág. 11

H2= 0,39m * (1- cos (109°)) H2= 0,51m

ENERGIA TOTAL:

Cobre1:

ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,47m)

ET= 6,86 julios

Cobre2:

ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,33m)

ET= 10,29 julios

Bronce:

ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,52m)

ET= 5,63 julios

Acero:

ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,28m)

ET= 11,51 julios

Aluminio:

ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,46m)

ET= 7,10 julios

Abarco: Fibras horizontales: ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,73m)

ET= 0,49 julios

Fibras Verticales:

ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,51m)

ET= 5,88 julios

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ENERGIA ABSORBIDA:

Cobre 1=

EA= 6,86 – 0,5 EA= 6,36

Cobre 2=

EA= 10,29 – 0,5 EA= 9,79

Bronce =

EA= 5,63 – 0,5 EA= 5,13

Acero=

EA= 11,51 – 0,5 EA= 11,01

Aluminio=

EA= 7,10 – 0,5 EA= 7,05

Cobre H1=

EA= 6,86 – 0,5 EA= 6,36

Abarco:

Fibras horizontales:

EA= 0,49 – 0,5 EA= -0,01

Fibras Verticales:

EA= 5,88 – 0,5 EA= 5,38

pág. 13

ENERGIA DE IMPACTO:

Cobre #1 =

Cobre #2 =

Bronce =

Acero =

Aluminio =

VELOCIDAD DE ENSAYO:

V =

ACELERACION DE ENSAYO:

a =

FUERZA DE IMPACTO:

F = 2 * 2,5kg * 9,8m/s F = 49N

Cobre 1, 2:

Bronce:

Acero:

Aluminio:

pág. 14

CONCLUSION

Gracias a esta experiencia se puede concluir que el método de Charpy es muy útil

para el estudio de la relación interna del material y su comportamiento a la

fractura. Se obtuvo de este procedimiento el resultado de la energía absorbida,

como también la velocidad del ensayo.

Se puede concluir también muchos materiales se comportaron de forma dúctil,

esto quiere decir que se deformaron en el rango inelástico y el comportamiento de

otros materiales fue frágil sufrieron una falla con poca deformación en el rango

inelástico.

La velocidad de la aplicación de la carga y el radio de la entalla fueron factores

que influyeron en los resultados del ensayo para los metales ya que la madera no

tenía entalle.

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ANEXOS

¿Tiene algo que ver la temperatura con el resultado del ensayo?

R/=

Cuando estamos a temperaturas altas se comporta dúctil y a bajas es

frágil. Debido al calentamiento que el material le toca soportar. Y en esos

momentos entra a jugar la propiedad que poseen los materiales que se

conoce como dilatación térmica

¿Qué formas obtuvo la probeta después del ensayo?

R/=

Unas obtuvieron formas en v y otras se fracturaron completamente por la

mitad. Todo esto por su resistencia o grado de elasticidad.

¿Hay alguna diferencia entre la energía absorbida por la probeta de

madera de vetas horizontales con las verticales?

R/=

La diferencia es que las de vetas verticales eran más dúctiles que las

horizontales ya que las horizontales se partieron mostrando así su

fragilidad

¿Cuál de los materiales es el más dúctil y cuál es el más frágil?

R/=

Los materiales más dúctiles fueron el cobre # 2 (9.79 ) y acero (11.01 )

puesto que presentaron mayor cantidad de energía absorbida. Por lo que

notamos que el ACERO fue el material más. Mientras que los más frágiles

fueron el bronce y aluminio siendo de material más frágil el BRONCE con

5.13 .

pág. 16

BIBLIOGRAFÍA

S.Timoshenko. Resistencia de los materiales. Tomo I. Teoría elemental y

problemas. Espasa-calpe.Madrid 1957.

M.Sc. ABUCHAR CURI, Alfredo y M.Sc. VLADIMIR QUIROZ, mariano.

Manual de Laboratorio de Resistencia de Materiales. Ediciones Universidad

Tecnológica de Bolívar.

JOSE AHUMADA VILLAFANE, "Caracterización de materiales de uso de

ingeniería" En: Colombia 2009. Ed: Corporación Universitaria De La Costa.

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