LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALESENSAYO DE IMPACTO – MÉTODO DE CHARPY

PRESENTADO POR:

JOSE LUIS ARAUJO

MIGUEL ANGEL PULIDO

AYLIN SAN JOSE CASTILLO

GUSTAVO QUINTERO

PRESENTADO A:

JOSÉ LUIS AHUMADA VILLAFAÑE

CORPORACION UNIVERSITARIA DE LA COSTA CUCFACULTAD DE INGENIERIA.

BARRANQUILLA – COLOMBIA2012

CONTENIDO.

1. INTRODUCCIÓN

2. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3. MARCO TEÓRICO

4. DESARROLLO EXPERIMENTAL (MATERIALES UTILIZADOS)

5. CÁLCULO, ANÁLISIS DE RESULTADOS (PREGUNTAS)

6. CONCLUSIÓN

7. BIBLIOGRAFÍA

1. INTRODUCCIÓN.

La resistencia de materiales es la ciencia que desarrolla la relación entre las

fuerzas externas aplicadas a un cuerpo deformable y las fuerzas internas

producto de esas fuerzas externas o como dice wikipedia: “La resistencia de un

elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas

aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de

algún modo.”

En Laboratorio de Resistencia de Materiales se llevarán a la práctica los

conocimientos que se vayan adquiriendo a lo largo del curso, como también

desarrollaremos muchas experiencias, una de estas es el ensayo de impacto

por el método de Charpy, que consiste en someter una probeta de diferentes

materiales y en forma de paralelepípedo a una fuerza de impacto producida por

un pesado péndulo que se deja caer a una altura determinada, este ensayo se

realiza con la finalidad de obtener la energía disipada o absorbida, para

determinar la ductilidad o fragilidad de los diferentes materiales.

Lo dicho en el párrafo anterior es lo que se podrá encontrar dentro de este

trabajo, cabe destacar también que como se trabajará con diferentes materiales

por lo que se obtendrán diferentes , y por ende distintos resultados, y son

estos resultados los que nos permitirán sacar conclusiones sobre lo realizado

en el laboratorio.

2. OBJETIVOS.

OBJETIVO GENERAL:

Familiarizar al estudiante con el proceso que se lleva a cabo dentro de la

máquina de impacto, más específicamente con el método de Charpy.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Reconocer los elementos necesarios que se requieren para llevar a cabo

con éxito este ensayo.

Hacer el mismo ensayo con los diferentes materiales que podemos

encontrar dentro del laboratorio.

Sacar conclusiones de acuerdo a las diferentes que se

obtendrán con los diferentes materiales.

Tener una mejor idea del contenido de esta materia, importante para la

formación de un Ingeniero Civil

3. MARCO TEÓRICO.

Los ensayos dinámicos son realizados para valorar la capacidad de resistencia

de los materiales a las cargas de impacto (tenacidad) y determinar su

tendencia a la destrucción frágil.

Entre los ensayos de esta índole los más conocidos y estandarizados son los

de impacto a flexión con muestras ranuradas. La velocidad de deformación en

el caso de los ensayos dinámicos supera en varios órdenes a la velocidad de

deformación en los ensayos estáticos.

GENERALIDADES

Los impactos de ensayo a flexión son realizados con la ayuda del péndulo de

Charpy, con una energía que sobrepasa los 30 kgf×cm. El esquema de ensayo

se muestra en la figura.

 

 

 

 

 

 

 

Esquema de trabajo del péndulo de Charpy

La muestra se coloca horizontalmente en un patrón especial que garantiza es-

trictamente la posición de la incisión (ranura, entalla) en la parte media del vano

entre los apoyos. El impacto es aplicado desde el lado opuesto a la incisión, en

el plano perpendicular al eje longitudinal de la muestra. El péndulo se fija en la

posición superior inicial a la altura ha de 1,6 m, lo que corresponde a una

velocidad del cuchillo del péndulo, en el momento del impacto de 5,6 m/s.

Luego la uña de fijación se retira, el péndulo cae libremente por efecto de su

propia gravedad aplicando un impacto a la muestra, que la encorva y destruye

elevándose en relación al eje vertical del péndulo Charpy en un ángulo b. Este

ángulo es tanto menor, cuanto mayor es la energía aplicada en el proceso por

el péndulo para la deformación y destrucción de la muestra.

 

Por medio de la escala, se mide el ángulo de elevación del péndulo y

directamente se lee la energía consumida en el proceso (la escala del indicador

esta graduada en kilopondios por metro kp×m). 

Una parte de la energía del impacto es empleada en la sacudida del péndulo y

del bastidor, para vencer la resistencia del aire, en el roce de los cojinetes y del

dispositivo de medición, en la deformación de la muestra cerca de los apoyos y

bajo el cuchillo, en la transmisión de energía a las fracciones de la muestra y

en la deformación elástica de la barra del péndulo.

La influencia de estos factores, que hacen variar las mediciones hasta en un

30% de un péndulo a otro pueden ser minimizadas restando la influencia de los

factores cuantificables o medibles. En otras palabras, se aconseja restar de la

energía mostrada por el indicador Ei la energía imprimida a las fracciones de

probeta en forma de energía cinética Ek (este dato puede calculado

aproximadamente), y la energía disipada por fricciones Ef (ésta puede ser

medida experimentalmente). De esta manera, la energía aproximada, usada

sólo para la destrucción de la probeta Er , será:

Ef , energía disipada por fricciones, debe ser medida antes de cada ensayo,

para esto se deja caer libremente el péndulo, sin instalar probeta en los

apoyos, y se anota la energía mostrada por el indicador.

Ek , energía cinética necesaria para el desplazamiento de las fracciones de

probeta luego de la rotura, puede ser calculada:

Donde m es la masa de la probeta y v es la velocidad de las fracciones, que se

asume igual al velocidad del péndulo en el momento del impacto (v =5,6 m/s).

 

El estándar ASTM E23-72 define el ensayo de barras ranuradas al impacto

como un ensayo por el cual se observa el comportamiento del metal cuando

está sujeto a la aplicación de una carga única que genera un estado de

esfuerzos multiaxial asociado a la ranura, en conjunto con altas ratas de carga

y en algunos casos altas o bajas temperaturas.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LOS RESULTADOS

En este ensayo se destacan tres factores que determinan el modo de fractura

de las probetas que se van a ensayar, ellos son la velocidad de aplicación de la

carga, el radio de la entalla y la influencia de la temperatura

Velocidad de aplicación de la carga

El modo de fractura depende de la formación y propagación de la grieta y esta

a su vez depende de la energía que absorba el material. A mayor energía

potencial mayor velocidad de impacto alcanzara el péndulo y mayor energía

cinética tendrá al impactar la probeta.

El radio de la entalla

La marca que se realiza a la probeta se hace con el fin de facilitar la falla.

Alrededor del entalle se generan zonas críticas de concentración de esfuerzos,

los que las convierte en puntos frágiles y en el que los esfuerzos serán

mayores

Influencia de la temperatura

Ante fuerza de impacto adquieren un comportamiento especifico dependiendo

de su temperatura, altas temperaturas se tornan dúctiles y de baja resistencia

mecánica y a bajas temperaturas adquieren un comportamiento frágil, la

temperatura a la cual el material pasa de absorber mucha energía a absorber

poca se llama energía de transición y sirva para estimar la idoneidad de los

materiales para ciertas aplicaciones.

La temperatura de transición depende de factores como la composición, la

microestructura, el tamaño del grano, el acabado superficial y la velocidad de

deformación.

MODELOS MATEMATICOS

Para calcular la energía absorbida y l resilencia de las probetas.

H1 =R (1+ Sen (α1-90))

H2 =R (1- Cos (α2)

Donde:

H1= Altura del péndulo.

H2= Altura final del péndulo, después del impacto

R= Brazo del péndulo, 39cm

α1= 161°

α2= Ángulo después del impacto.

Et= m*g*(H1-H2)

Donde

m: Masa del péndulo(kg) 2,5kg

g: aceleración de la gravedad

Et: energía total en julios

Energía Absorbida (Ea) = Et – Ef

Donde

Ef = energía de frotamiento

Energia de Impacto

Ei = Eas

Donde

E= Energia de impacto

S= area de corte de sección transversal

4. DESARROLLO EXPERIMENTAL.

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

un gancho de seguridad, posteriormente se confirma que el dial marque un

ángulo de 0° y una energía de 0 julio, cuando el sistema esté 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.

Se repite el procedimiento anterior

con las probetas de las distintos

materiales (acero, bronce,

aluminio, cobre y de madera roble

con las vetas horizontales y

verticales), en la base de la

maquina, con el entalle del lado

opuesto al del impacto al final se

tendrán 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.

5. CÁLCULOS, ANÁLISIS DE RESULTADOS (PREGUNTAS).

H1= R*(1+Sen(α 1−90¿¿ H2= R*(1-Cos(α 2¿¿ Et= m*g*(H1-H2)

Para calcular la energía absorbida se utiliza (Ea) = Et – Ef

MADERA ROBLE.

largo Ancho alto ∝ EF

1 5 cm 6 mm 6 mm 136° 1,9 j

2 5 cm 6 mm 6 mm 135° 1,8 j

3 5 cm 6 mm 6 mm 136° 1,9 j

4 5 cm 6 mm 6 mm 179° 0,7 j

5 5 cm 6 mm 6 mm 179° 0,7 j

6 5 cm 6 mm 6 mm 179° 0,7 j

Frotamiento = 161º, 0,6 j

ALUMINIO → S = 0,3 Cm2

METALES ∝ Ef. FRACTURAALUMINIO 75º 9,50 J DUCTIL

BRONCE 85º 8,0 J FRAGIL

ACERO 11º 14,85J DUCTIL

COBRE 86º 8,0 J DUCTIL

H1= R*[1+Sen(∝1−90 º¿¿H1= 0, 39 m * [1 + Sen (161º - 90º)]

H1 = 0.76 m

H2= R * [1- Cos (∝2¿¿H2= 0, 39 m * [1 – Cos 75º]

H2= 0.29 m

Et = 2.5 Kg * 9.8 mS2

* (0.76m – 0.29m)

Et = 11,51 Joule

Ea = 11,51 – 0,6 JouleEa = 10,91 Joule

Ei = 10,91Joules0,3cm2

Ei= 36.36 Joulescm2

V= √2∗9.8ms2∗0.76mV= 3.86ms

f= 2*2,5 Kg* 9.8ms2

f= 49 N

BRONCE → S = 3mm Cm2

H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°]H1= 0.76m

H2= 0, 39 m * [1-cos 85º]H2= 0,35m

Et= 2,5Kg * 9.8ms2

(0,76m-0,35m)

Et = 10,04 Joule

Ea= 10,04 – 0,6 JEa= 9,44 Joule

Ei= 9.440.3cm2

Ei= 31,46 Joulescm2

V= 3,86 ms

f= 49N

ACERO → S = 0.1 Cm2

H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0.76m

H2= 0, 39 m * [1-cos 11º]H2= 7,1x10−3m

Et= 2.5Kg * 9.8ms2

(0.76m-7,1x10−3m)

Et = 18.55 Joules

Ea= 18,55 – 0,6Ea= 17,95 Joules

Ei= 17,950.4cm2

Ei= 44,87 Joulescm2

V= 3.86 ms

f= 49N

COBRE → S = 0,3 Cm2

H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m

H2= 0, 39 m * [1-cos 86°]H2= 0,36m

Et= 2.5Kg * 9.8ms2

(0,76m-0,36m)

Et = 9,8 Joules

Ea= 9,8 – 0,6Ea= 9,2 Joules

Ei= 9,2J0.3cm2

Ei = 30,6 Joulescm2

V= 3.86 ms

f= 49N

De esta forma, ya habiendo realizado los modelos matemáticos de las probetas

metálicas, ahora procederemos a realizar los modelos matemáticos de las

probetas de madera. A nuestro equipo de trabajo le fue asignado trabajar con

probetas de madera roble.

PROBETA ·#1 VETAS VERTICALES

H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m

H2= 0, 39 m * [1-cos 136º]H2= 0,67 m

Et= 2.5Kg * 9.8ms2

(0.76m-0,67m)

Et= 2,20 Joules

Ea= 2,20 – 0,6

Ea= 1,6 Joules

V= 3,86 ms

f= 49N

PROBETA ·#2 VETAS VERTICALES

H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m

H2= 0, 39 m * [1-cos 135º]H2= 0,66m

Et= 2.5Kg * 9.8ms2

(0,76m-0,66m)

Et= 2,45 Joules

Ea= 2,45 – 0,6Ea= 1,85 Joules

V= 3,86 ms

f= 49N

PROBETA ·#3 VETAS VERTICALES

H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m

H2= 0, 39 m * [1-cos 136º]H2= 0,67

Et= 2.5Kg * 9.8ms2

(0.76m-0,67m)

Et= 2,20 Joules

Ea= 2,20 – 0,6

Ea= 1,6 Joules

V= 3,86 ms

f= 49N

PROBETA ·#4 VETAS HORIZONTALES

H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m

H2= 0, 39 m * [1-cos 149º]H2= 0,72m

Et= 2.5Kg * 9.8ms2

(0,76m-0,72m)

Et= 0,7Joules

Ea= 0,7– 0,6Ea= 0,1 Joules

V= 3,86 ms

f= 49N

PROBETA ·#5 VETAS HORIZONTALES

H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m

H2= 0, 39 m * [1-cos 149º]H2= 0,72m

Et= 2.5Kg * 9.8ms2

(0,76m-0,72m)

Et= 0,7Joules

Ea= 0,7– 0,6Ea= 0,1 Joules

V= 3,86 ms

f= 49N

PROBETA ·#6 VETAS HORIZONTALES

H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m

H2= 0, 39 m * [1-cos 149º]H2= 0,72m

Et= 2.5Kg * 9.8ms2

(0,76m-0,72m)

Et= 0,7Joules

Ea= 0,7– 0,6Ea= 0,1 Joules

V= 3,86 ms

f= 49N

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

Si ya que los materiales a las fuerza de impacto adquieren un comportamiento

especifico dependiendo de su temperatura, altas temperaturas se tornan

dúctiles y de baja resistencia mecánica y a bajas temperaturas adquieren un

comportamiento frágil, la temperatura a la cual el material pasa de absorber

mucha energía a absorber poca se llama energía de transición y sirva para

estimar la idoneidad de los materiales para ciertas aplicaciones.

2. ¿Qué forma obtuvo la probeta después del ensayo?

Esta es la forma que obtuvo la

probeta de aluminio, y acero dejando

claro que es un material dúctil, al no

romperse

Este es la forma de la probeta de cobre.

Esta es la forma de las probetas de

madera roble con las vetas verticales, y

con las vetas horizontales se rompieron

Esta es la forma de la probeta

de bronce que a diferencia de los

anteriores metales este es de

falla frágil, al romperse al impacto

3. ¿Hay alguna diferencia entre la energía absorbida por la probeta de madera de vetas horizontales con las verticales?

La diferencia que hay es que la probeta con las vetas verticales tiene la

capacidad de absorber la mayor cantidad de energía que las probetas

con vetas horizontales.

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

En el ensayo se observo con claridad que los metales como aluminio,

cobre y acero son materiales dúctil, sin embargo se destaca el acero por

haber presentado mayor energía absorbida de (Ea= 17,95 Joules), siendo

este el más dúctil; por el contrario el bronce y la madera con vetas

horizontales se rompieron en el impacto siendo estos materiales frágiles,

donde la madera es la más frágil con un promedio de Ea= 0,1 Joules.

6. CONCLUSIÓN.

Luego de todo lo realizado para el desarrollo de esta experiencia se puede

calificar como satisfactoria, debido a que gracias a la investigación, a la lectura,

al análisis y sobre todo a lo realizado dentro del laboratorio se logró tener un

mayor conocimiento sobre lo que trata en sí el ensayo de impacto de

materiales (cobre, acero, hierro, plata, etc.) utilizando el péndulo de Charpy y

sobre el comportamiento que tiene los diferentes tipos de materiales sometidos

a acciones dinámicas; sin olvidar claro está que ya se conoce el proceso de

laboratorio y los cálculos que se llevaron a cabo para obtener los resultados.

7. BIBLIOGRAFÍA.

Ahumada, José Luis; “Caracterización de Materiales de uso en

Ingeniería”, Educosta, 2009.

William D. Callister, Jr.; “Introducción a la ciencia e ingeniería de los

materiales”, Reverté, 1995.

Shakelford, J.F.; “Intoducción a la ciencia de materiales para ingenieros”,

Pearson Prentice Hall, 2005.