ENSAYO DE IMPACTO CHARPY

Martínez padilla Keimer Alonso

González Díaz Alan Javier

Miranda Lugo Pedro José

Muñoz Pereira Carlos Julio

Director del proyecto: Ing. Demóstenes Durango

Universidad de Córdoba

Montería-córdoba

RESUMEN

Los ensayos dinámicos son realizados para el estudio de la capacidad de resistencia de los

materiales a las cargas de impacto (tenacidad) y determinar qué tan frágil pueden ser. Entre

los ensayos de estas características el más conocido y estandarizado es el charpy.

El ensayo de impacto consiste en dejar caer un péndulo pesado, el cual a su paso golpea una

probeta que tiene forma de paralelepípedo, ubicada en unos soportes en la base de la

máquina. Se debe dejar caer el péndulo desde un ángulo α, necesarios para alcanzar la

velocidad sea la requerida en el momento del golpe y en el punto de la nariz y de esta manera

cumpla con los requerimientos de la norma que especificada.

La probeta posee una muesca (entalle) estándar para facilitar el inicio de la fisura. Luego de

golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando cierta altura que depende de la

cantidad de energía absorbida por la probeta durante el impacto. Las probetas que fallan en

forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad (baja

fragilidad) se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la

temperatura y la composición química, lo cual obliga a realizar el ensayo con probetas a

distinta temperatura, para evaluar y encontrar la “temperatura de transición dúctil-frágil".

PALABRAS CLAVES

Tenacidad, resilencia, ductilidad,

ABSTRACT

The dynamic tests are carried out to study the resilience of the material to impact loads

(toughness) and determine how fragile may be. Among these characteristics tests and

standardized best known is the Charpy.

KEYWORDS

Tenacity, resilience, ductility,

1. INTRODUCCIÓN

Desde el punto de vista de la ingeniería es

muy importante y en ocasiones

imprescindible, conocer cuál sería el

comportamiento mecánico de los

materiales, cuando se encuentran

expuestos a condiciones extremas de

servicio. Es por ello que muchos de los

ensayos de impacto se realizan en

condiciones en las cuales se favorece la

fractura frágil. Entre los factores que

contribuyen a modificar el modo de

fractura y que se pueden estudiar

mediante el ensayo de impacto Charpv se

encuentran:

■ La velocidad de aplicación de la carga, la

cual se controla variando el ángulo α.

■ Así como el impacto en materiales

expuesto; a diferentes temperaturas.

Este último factor es el responsable que

determinados materiales experimenten

una transición dúctil-frágil con la

disminución de la temperatura para

determinar el intervalo de temperaturas

en el que se encuentra esa transición se

suelen realizar los ensayos Charpv a

distintas temperaturas con la ayuda de un

sistema de calentamiento y enfriamiento

acoplado al péndulo, lo cual permite

controlar in-situ la temperatura de la

probeta. Durante la realización de esta

práctica, evaluaremos la influencia que

tienen los dos factores anteriormente

mencionados en el comportamiento

mecánico de los materiales.

2. OBJETIVOS:

2.1 OBJETIVOS GENERAL.

Realizar el análisis de los

resultados obtenidos en el ensayo

y determinar las propiedades

mecánicas.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS.

Determinar la tenacidad de los

materiales por medio de la prueba

de impacto.

Determinar el rango de

temperaturas de la transición

dúctil-frágil

Encontrar la cantidad de energía

absorbida por el material sometido

a impacto.

3. TEORIA RELACIONADA.

a.

b.

La fig 1. Muestra el Esquema del ensayo

de Charpy.

Éste consiste en golpear mediante una

masa una probeta que se sitúa en el

soporte (ver Fig 1). La masa M. la cual se

encuentra acoplada al extremo del péndulo

de longitud L. se deja caer desde una altura

H. mediante la cual se controla la velocidad

de aplicación de la carga en el momento

del impacto.

La energía absorbida por la probeta,

para producir su fractura, se determina a

través de la diferencia de energía potencial

del péndulo antes y después del impacto.

Una vez conocido el ángulo inicial de

aplicación de la carga y el ángulo final

al que se eleva el péndulo después de

la rotura completa de la probeta, se puede

calcular la energía mediante la

egresión:

1. [ ]

Donde g representa la aceleración de la

gravedad.

Los modos de fractura que pueden

experimentar los materiales se clasifican

en dúctil o frágil, dependiendo de la

capacidad que tienen los mismos de

absorber energía durante este proceso.

Actualmente no existe un criterio único

para determinar cuantitativamente cuando

una fractura es dúctil o frágil, pero todos

coinciden en que el comportamiento dúctil

está caracterizado por una absorción de

energía mayor que la requerida para que

un material fracture frágilmente. Por otra

parte el comportamiento dúctil tiene

asociado altos niveles de deformación

plástica en los materiales.

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA.

TRANSICIÓN (DÚCTIL- FRÁGIL)

Algo importante del ensayo de impacto de

Charpy es que se puede determinar la

temperatura de transición frágil-dúctil (su

principal ventaja sobre otros ensayos).

Fig 3. Gráfico Resistencia al impacto Vs.

Temperatura.

Esto se consigue realizando el ensayo en

iguales condiciones normalizadas, pero a

distintas temperaturas. Lo que se hace es

calentar o enfriar la probeta antes de

realizar el ensayo (la distribución de

temperaturas debe ser homogénea en toda

la probeta). Se obtienen una serie de curva

características de cada material como las

que se muestran en la figura 4.

Fig 4. Curvas de transición frágil-dúctil.

En la (fig 4), se observa que existe una

dependencia de la energía absorbida con la

temperatura.

A altas temperaturas se absorbe gran

cantidad de energía, lo que está

relacionado con la fractura dúctil.

A bajas temperaturas tenemos una

menor absorción de energía, lo que

está relacionado con la fractura frágil.

Adicionalmente se puede observar en la

(fig 4), que los materiales Los materiales

con estructura cristalina:

Cubica centrada en las caras (FCC):

serán dúctiles y tenaces para

cualquier velocidad de aplicación de la

carga y para cualquier temperatura

por lo que son muy tenaces y

Presentan una transición muy suave.

Los materiales dúctiles Cubico

centrado en el cuerpo (BCC): a

temperatura ambiente y bajas

velocidades de aplicación de la carga

se comportan como tal y cuando la

temperatura es baja se compartan

como materiales frágiles.

PROPIEDADES MECANICAS.

- TENACIDAD A LA FRACTURA: Es la

mecánica de la fractura es la disciplina que

se enfoca al estudio del comportamiento

de materiales con fisuras u otros pequeños

defectos. Es cierto que todos los materiales

tienen algunos defectos. Lo que se desea

saber es el esfuerzo máximo que puede

soportar un material, si contiene defectos

de un cierto tamaño y geometría. La

tenacidad a la fractura mide la capacidad

de un material que contiene un defecto, a

resistir una carga aplicada. A diferencia de

los resultados del ensayo de impacto, la

tenacidad a la fractura es una propiedad

cuantitativa del material.

4. MATERIALES Y EQUIPOS

4.1 MATERIALES:

Probetas:Las probetas utilizadas en este

ensayo siguen la norma (ASTM-E23)

(a) probeta con ranura en V

Estufa eléctrica

Es un dispositivo que produce energía

calórica a partir de la eléctrica. El tipo

más difundido (que se ve en este informe)

es el calefactor eléctrico "resistivo", donde

la generación del calor se debe al Efecto

Joule.

Guantes

El guante es una prenda, cuya finalidad es

la de proteger las manos o el producto

que se vaya a manipular.

CALIBRADOR PIE DE REY

El calibrador o pie de rey de la figura es

un instrumento de precisión que permite

tomar diferentes tipos de medidas

lineales directamente sobre una pieza:

exteriores, interiores o de profundidad.

Hielo seco

Se llama hielo seco o nieve

Carbónica al dióxido de carbono (CO2)

en estado sólido. Recibe este nombre

porque, pese a parecerse al hielo o a

la nieve por su aspecto y temperatura,

cuando se sublima no deja residuo

de humedad. Tiene una temperatura de

sublimación de -78 °C. El punto de

sublimación muy bajo y el hecho de no

dejar residuo líquido lo convierten en un

excelente refrigerante.

Pinzas

Una pinza o pinzas es una máquina-

herramienta simple cuyos extremos se

aproximan para sujetar algo. Funciona con

el mecanismo de palancas simples, que

pueden ser accionadas manualmente o con

mecanismos hidráulicos, neumáticos o

eléctricos. Existen pinzas para diferentes

usos: corte, sujeción, prensa o de presión.

Biker ó vaso de precipitados

Es un elemento de vidrio, este

instrumento nos sirve para medir

volúmenes exactos.

Se puede calentar sin ningún problema,

pues su material resiste altas

temperaturas. En este se puede introducir

líquidos e igualmente sólidos.

4.2 EQUIPOS.

MAQUINA DE IMPACTO KARL FRANK

GMBH

La máquina consta de dos parales

paralelos, totalmente perpendiculares a

su base fijada en el suelo, estos parales

soportan un eje, el cual sostiene al

péndulo, que en su parte inferior tiene el

martillo, el cual se puede cambiar según la

prueba que se vaya a realizar (Charpy-

Izod). El martillo tiene un determinado

peso y dimensiones que cumplen con la

norma ASTM E-23. En la base se

encuentra una prensa o soporte de la

probeta intercambiable para el ensayo

que se vaya a realizar (Charpy-Izod), su

fin es sujetar las probetas cuando el

péndulo las golpea.

5. METODOLOGIA EXPERIMENTAL.

Identificar las partes de las máquinas y

tener claro los parámetros establecidos

por la norma (ASTM-E23).

Identificar los materiales que se van a

utilizar en la realización de esta prueba

y conocer sus características.

Luego de tener la probeta

estandarizada, se procederá a colocarla

en las respectivas mordazas.

Una vez se tenga la probeta instalada en

la máquina, se procederá a subir el

péndulo e instalarlo inmediatamente en

el soporte y colocarle el pin de

seguridad.

Una vez se tenga la máquina lista, un

estudiante u operario quitara el pin de

seguridad y jalara la barra de acero

sobre la cual reposa el brazo. Otro se

colocará al frente del dispositivo de

freno de esta y lo accionará cuando se

realizado el rompimiento de la probeta.

Es muy importante que ningún

estudiante se encuentre por dentro de

la zona demarcada con la maya de

seguridad para evitar accidentes.

Luego de que la probeta se halla

fracturado y el brazo de la máquina este

totalmente parado, se tomaran los datos

mostrados en la máquina para su

posterior análisis.

Así se realizará el mismo procedimiento

para cada probeta a diferentes

temperaturas

6. RESULTADOS.

6.1 TABLAS:

TABLA1: En esta tabla se presenta la

velocidad de impacto que como lo indica la

norma (ASTM E 23) debe de estar entre

(3–6 m/s)

T(°C) RESISTENCIA AL IMPACTO(J/m)

ESPESOR(m)

-40 515,463 9,70E-03

22 1489,361 9,40E-03

200 6140,35 1,14E-02

energía inicial = 150J

ángulo de caída = 160°

energía absorbida por fricción = O.5 J

velocidad de impacto = 3.7922 m/s

TABLA 2.

ENERGIA ABSORBIDA(J) ANGULO DE ELEVACION

5 144°

14 135°

70 90°

6.2 GRAFICAS:

GRAFICA DE TEMPERATURA VS

RESISTENCIA AL IMPACTO.

-50 0 50 100 150 200

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

RE

SIS

TE

NC

IA A

L IN

PA

CT

O (

J/m

)

TEMPERTURA (°C)

Grafica (T vs RI)

GRAFICA DE TEMPERATURA VS

ENERGIA ABSORBIDA.

-50 0 50 100 150 200

0

10

20

30

40

50

60

70

80

EN

ER

GIA

AB

SO

RB

IDA

(J)

TEMPERATURA(°C)

GRAFICA ( T vs EA)

7. ANALISIS DE RESULTADOS.

De la gráfica temperatura versus

resistencia al impacto (T vs RI) se puede

decir que los datos obtenidos se

encuentran en el rango de temperatura de

transición esto es debido a la tendencia de

cambio de concavidad que realiza la gráfica

que no es visible debido a el número de

valores graficados, adicionalmente este

rango es justificado por el cambio de

características a las diferentes

temperaturas en valores extremos de la

gráfica en el cual en valor inicial muestra

falla por fractura frágil a baja temperatura

y baja resistencia al impacto por ende la

menor tenacidad mientras que para el

valor final presento fractura dúctil a la

mayor temperatura y consecuentemente

presento la mayor resistencia al impacto

siendo entonces la mayor tenacidad.

La gráfica temperatura versus energía

absorbida (T vs EA), se encuentra en el

intervalo de transición en el cual la

tendencia que sigue la gráfica igualmente a

la anterior es de un cambio de concavidad

que no se muestra debido a los pocos

datos graficados pero si es evidente el

cambio de pendiente.

De la gráfica (T vs EA), debido a la curva de

transición frágil-dúctil que sigue el

material se dice que este material presenta

una estructura cristalina tipo: cubico

centrado en el cuerpo (BBC)

Para ambas graficas el punto inicial a baja

temperatura la fractura es frágil, el

segundo punto la fractura es dúctil-frágil y

en el punto final la fractura presentada es

dúctil.

8. CONCLUSION.

En la vida diaria es de gran relevancia el

conocimiento sobre las propiedades

mecánicas de los distintos materiales esto

es debido a la influencia directa que

poseen sobre el comportamiento de un

material a condiciones de trabajo

específicas. El ensayo de impacto es una de

las grandes herramientas que sirven para

la determinación de dichas propiedades,

mediante la realización de este es posible

hallar la tenacidad de los materiales;

Propiedad mecánica que indica la

capacidad de absorción de energía que

posee un material a cargas de alto impacto,

esencial a la hora de realizar diseños,

analizar piezas y estructuras.

Aunque los ensayos de charpy puedan no

predecir directamente el comportamiento

de un material dúctil o quebradizo del

acero en usarse en grandes unidades

estructurales, encuentran uso como

ensayos de aceptación o identidad para

lotes diferentes del mismo material.

Del ensayo realizado según la norma

(ASTM E 23) se logró determinar la

propiedad mecánica del material a

distintas temperaturas, se observó cómo

fue su comportamiento respecto a la

gráfica y se determinó su estructura

cristalina (BBC). Adicionalmente los

materiales utilizados se encontraban en

óptimas condiciones según los indica la

norma.

9. BIBLIOGRAFIA.

ASKELAND, Donal R., “Ciencia e

Ingeniería de los Materiales”,

Thomson Editores. México, 1998.

Budinsky, K. y otro, “Engineering

Materials”, Prentice – Hall, U.S.A.,

1999.

William F. Smith. Tercera edición.

Fundamentos de la ciencia e

ingeniería de materiales.