UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL“FRANCISCO DE MIRANDA”

COMPLEJO ACADÉMICO “EL SABINO”AREA DE TECNOLOGÍA

DEPARTAMENTO DE MECÁNICA Y TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN

CÁTEDRA: LABORATORIO DE CIENCIA DE LOS MATERIALES

PRÁCTICA Nº 6:

ENSAYO DE IMPACTO CHARPY

I.- OBJETIVO GENERAL: Determinar la resistencia (tenacidad) de los

materiales por medio del método Charpy para el ensayo de impacto a fin de

valorar la tenacidad y los efectos de la temperatura en el comportamiento del tipo

de fractura (dúctil o frágil) para un material dado.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

Introducir al estudiante en el uso del péndulo Charpy para el ensayo de

impacto mediante el cálculo de la resistencia (tenacidad) para acero SAE

1010.

Diferenciar el tipo de fractura dúctil o frágil en probetas tipo Charpy de

acero SAE 1010.

Aplicar el concepto de temperatura de transición.

Calcular la resiliencia de los materiales.

II.- INTRODUCCIÓN

Los metales tienen, en general, excelentes propiedades mecánicas. Esto les hace

superiores a otros muchos materiales en cuanto a sus aplicaciones industriales.

Podemos definir las propiedades mecánicas, como la resistencia que oponen los

cuerpos, frente a determinadas acciones exteriores de tipo mecánico.

Los metales reúnen dos condiciones importantísimas:

- La excelente combinación que existe de diversas propiedades que se presentan juntas y en alto grado en muchos de ellos.

- La posibilidad que existe en los cuerpos metálicos de cambiar sus propiedades entre amplios límites, sometiéndolos a tratamientos adecuados.

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UNEFM

Las pruebas de impacto se han creado para estudiar el comportamiento de los

materiales al recibir un golpe.

El propósito de las pruebas de impacto es determinar la energía absorbida por una

muestra hasta ocasionar la fractura. La propiedad relacionada con las pruebas de

impacto es la tenacidad, que se define como la capacidad de un material para

resistir la fractura al someterlo a una carga de impacto. Sin embargo, la resistencia

de un material a la fractura, puede variar ampliamente, dependiendo de la

proporción de la deformación.

Muchas partes y estructuras mecánicas como tornillos, ejes, martillos, yunques y

matrices de forjas, se someten a pruebas de impacto o dinámicas.

Las pruebas de impacto son de tres tipos: torsión, tensión y vigas, según la forma

en que se aplique la carga a la muestra. Las pruebas de impacto de torsión se usan

rara vez y suelen ser para aceros de herramientas. Las pruebas de impacto de

tensión tienen cierto uso. Las pruebas de impacto de viga o brazo son las más

comunes y son de dos clases, Izod y Charpy y difieren en el modo de aplicar la

carga a la muestra.

En la prueba Izod, se aplica la carga a una muestra colocada como viga en

voladizo, soportada por un extremo y en donde se golpea el otro extremo.

En la prueba Charpy, la muestra se carga como una viga con apoyo sencillo o

libre y se golpea en el opuesto a la muesca. En ambas pruebas se utilizan muestras

con una muesca, que luego se fracturan por flexión.

Las pruebas Izod y Charpy han sido estandarizadas para materiales metálicos y

plásticos.

En el desarrollo de ésta práctica se emplearán las pruebas de impacto

“Charpy”que tendrá como objetivo, se describir el comportamiento de los

materiales a proporción rápida de deformación, utilizar correctamente la máquina

de impacto de Charpy, medir la tenacidad ya que ésta es una propiedad mecánica

y determinar la capacidad que poseen los materiales para disipar y absorber

energía producida por el choque.

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III.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS:

Propiedades mecánicas:

- Elasticidad

- Plasticidad: maleabilidad y ductilidad.

- Resistencia a la rotura.

- Tenacidad.

Tenacidad: Se define como la habilidad de un material para absorber energía

sin fracturarse. La unidad de medida que valora este factor es la resiliencia.

Si tenemos en cuenta el concepto anterior podemos asegurar que, como las

deformaciones elásticas suelen ser muy pequeñas en relación con las

deformaciones plásticas:

- Si un metal es poco plástico, su deformación será pequeña y por tanto

absorbe poca energía antes de romperse: es poco tenaz.

- Si un material es muy plástico, la deformación antes de romperse es

grande; absorbe mucha energía: es muy tenaz.

Uno de los métodos más sencillos para medir esta propiedad mecánica, es

utilizando un aparato de ensayo conocido como máquina pendular de impacto.

La resiliencia (Rs) obtenida de este ensayo viene expresada en unidades de

energía (JOULE) dividida entre el área transversal de la probeta expresada en

mm2.

E = Energía gestada (JOULE) para romper la

Probeta

A =Área Transversal

El ensayo de resistencia al impacto expresa una manera de cómo se fractura un

material en función de la temperatura, mostrando además el comportamiento

del material de dúctil a frágil.

Resiliencia: La resiliencia no es en sí una propiedad de los materiales; más

bien es el resultado de un ensayo al que se someten los materiales para medir

la cantidad de energía que son capaces de absorber antes de romperse

mediante un golpe. A esta cantidad de energía se denomina resiliencia.

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A = 1*a

Temperatura de transición: Ensayos de Charpy con probetas tipo A (las usadas

en el laboratorio), a distintas temperaturas, han demostrado que el aumento

progresivo de la misma provoca un aumento de la energía de impacto, hasta

estabilizarse para determinados valores de energía y que la transición en el

comportamiento se produce en un rango de temperaturas, de amplitud variable

con el material de ensayo. Al no existir una única temperatura de transición su

determinación será puramente convencional, variando para un material dado

según las especificaciones utilizadas.

Si se disminuye la temperatura, se aumenta la velocidad de deformación o se hace

una muesca en el material al hacer ensayos en metales CC, puede observarse una

transición de fractura dúctil a frágil. La prueba de impacto en barras con muescas,

puede usarse para determinar el intervalo de temperatura en el cual se observa la

transición. La determinación de la temperatura de transición por medio de esta

prueba está basada en: la transición de absorción de energía, la transición de

ductilidad, el cambio en la apariencia externa de la fractura, la contracción en la

base de la muesca. La curva superior de la figura que se muestra a continuación,

muestra la transición basada en la absorción de energía, la curva media indica una

transición de fractura y la inferior una transición de ductilidad. Es evidente que la

temperatura de transición no tiene un valor exactamente definido, y los ensayos en

un mismo lote de material exhiben una dispersión notable. Generalmente, cuanto

más aguda sea la muesca, mayor es la temperatura de transición.

Para acero y ensayos con probeta tipo V de charpy, la temperatura de transición se

define como aquella a la cual se absorben 10 ó 15 pies- libras de energía (1.383 ó

2.074 kg-m). Cuando se usa el criterio de ductilidad, la temperatura de transición

se define arbitrariamente para un valor de contracción lateral de la muesca igual a

1 %.

En general, el criterio de fractura, da un valor más elevado que los criterios de

ductilidad y energía. La dispersión en los valores obtenidos es de cualquier

manera bastante grande, y depende primordialmente en las condiciones de la

prueba.

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Tipos de fractura:

Fractura Dúctil: Un tipo de fractura que se caracteriza por una propagación lenta

de la fisura. La fractura dúctil sigue por lo general una dirección en zigzag a lo

largo de planos en los cuales se tiene un esfuerzo cortante resuelto máximo. Las

superficies de fractura dúctil tienen, por lo general, una apariencia fibrosa y opaca.

Fractura frágil: Un tipo de fractura que se caracteriza por la nucleación y

propagación rápida de una fisura con poca deformación plástica. En materiales

cristalinos, las superficies de fractura frágiles se identifican por su apariencia

granular y brillante.

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Deformación de los metales: Cuando un material se tensa por debajo de su límite

elástico, la deformación resultante es temporal. Cuando un material se tensa más

allá de su límite elástico, tiene lugar una deformación plástica o permanente, y no

regresará a su forma original por la sola aplicación de una fuerza.

La posibilidad de que un metal sufra deformación plástica es probablemente su

característica más relevante en comparación con otros materiales. Todas las

operaciones de formado, como son troquelado, prensado, hilado, laminado o

rolado, forjado, estirado y extrusión, se relacionan con la deformación plástica de

los metales.

El comportamiento de un metal cuando se deforma plásticamente y el mecanismo

mediante el cual ocurre, son de interés esencial para perfeccionar la operación de

trabajado. La deformación plástica puede tener lugar por deslizamiento, por

maclaje o mediante una combinación de ambos procesos.

Tipos redeformaciones de los metales:

Deformación por deslizamiento: Si el monocristal de un metal es esforzado

tensilmente más allá de su límite elástico, se larga en forma ligera, aparece un

escalón sobre la superficie indicando un desplazamiento relativo de una parte del

cristal con respecto al resto y la elongación se detiene. Al aumentar la carga se

producirá movimiento en otro plano paralelo y dará como resultado otro escalón.

Es como si delgadas secciones vecinas del cristal se hubieran deslizado una sobre

otra como cartas de barajas. El aumento progresivo de la carga, eventualmente

produce fractura del material.

Imperfecciones de los cristales: Existen varias razones por las que la estructura

reticular de un cristal no pueda ser perfecta. Las imperfecciones surgen a menudo

naturalmente, debido a la incapacidad del material que se solidifica para seguir

reproduciendo indefinidamente sin interrupción su celda unitaria; los límites de

grano en los metales son un ejemplo. En otros casos, las imperfecciones se

introducen intencionalmente durante el proceso de manufactura, como es el caso

de la adición de un elemento que ligue con el metal para aumentar su resistencia.

Las diversas imperfecciones en un sólido cristalino son llamados también

defectos. Ambos términos, imperfecciones o defectos, se refieren a desviaciones

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del patrón regular en la estructura reticular de un cristal. Se puede catalogar como

1) defectos puntuales, 2) defectos lineales y 3) defectos superficiales.

Los defectos puntuales son imperfecciones en la estructura del cristal que

involucran ya sea un átomo o varios átomos. Los defectos pueden tomar varias

formas incluyendo: (a)Vacante, el defecto más simple causado por un átomo

faltante dentro de la estructura reticular; (b) vacante de par iónico, también

llamado defecto de Schottky, que consiste en la falta de un par de iones con carga

opuesta en un compuesto que tiene un equilibrio total de carga; (c) intersticio o

intersticidad, una distorsión de la retícula por la presencia de un átomo extra en

la estructura, y (d) desplazamiento iónico, conocido como el defecto de Frenkel,

que ocurre cuando un ión es removido de su posición regular en la estructura de la

retícula y se inserta en una posición intersticial no ocupada normalmente por

dicho ión.

Un defecto lineal es un grupo de defectos puntuales conectados que forman una

línea en la estructura de la retícula. El mas importante defecto lineal es la

dislocación que puede tomar dos formas: a) dislocación de borde y b) dislocación

de tornillo, es una espiral dentro de la estructura reticular que se enrosca alrededor

de una imperfección lineal, de la misma manera que se enrosca un tornillo

alrededor de su eje.

Ambos tipos de dislocación pueden surgir en la estructura cristalina durante la

solidificación (en fundición, por ejemplo), o se pueden iniciar durante un proceso

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de deformación (formado de metal, por ejemplo) ejecutado sobre el material

sólido.

Los defectos superficiales son imperfecciones que se extienden en dos

dimensiones para formar un límite. El ejemplo más obvio de límite es la

superficie externa que define la forma de un objeto cristalino. La superficie es la

interrupción en la estructura reticular, los límites superficiales pueden penetrar

dentro del material. El mejor ejemplo de estas interrupciones superficiales internas

son los límites de grano.

Deformación en cristales metálicos: Cuando un cristal se sujeta a un esferazo

mecánico creciente, su primera reacción consiste en deformarse elásticamente.

Esto se puede atribuir a una inclinación de la estructura reticular sin ningún

cambio de posición entre los átomos que la componen, en la forma descrita en la

figura siguiente (a) y (b). Si la fuerza cesa, la estructura reticular (y por tanto el

cristal) vuelven a su forma original. Si el esfuerzo alcanza un alto valor con

respecto a las fuerzas electroestáticas que mantienen a los átomos en su posición

en la celda, ocurre un cambio permanente llamado deformación plástica.

Lo que ha pasado es que los átomos en la celda se han movido en forma

permanente con respecto a su posición previa, y la retícula ha alcanzado un nuevo

equilibrio, tal como se muestra en la figura (c).

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La deformación de la celda mostrada en la parte (c) es un posible mecanismo

llamado deslizamiento, por el cual puede ocurrir una deformación plástica en una

estructura cristalina; la otra se llama maclaje.

El deslizamiento implica el movimiento relativo de átomos colocados en los lados

opuestos de un plano de la celda llamado plano de deslizamiento. El plano de

deslizamiento, de alguna manera, debe estar alineado con la estructura reticular,

de esta forma existen ciertas direcciones preferentes en las que es más probable

que ocurra el deslizamiento.

El maclaje es una segunda manera en la cual se deforma plásticamente los

cristales. El maclaje se puede definir como el mecanismo de deformación plástica,

mediante el cual los átomos en un lado del plano (llamado plano de maclaje) se

desvían para formar una imagen especular (simétrica) de los átomos al otro lado

del plano.

El mecanismo es importante en metales HCP (zinc y magnesio, por ejemplo)

porque éstos no se deslizan fácilmente. Otro factor en el maclaje, además de la

estructura, es la velocidad de la deformación. Los mecanismos de deslizamiento

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requieren más tiempo que el maclaje, el cual puede ocurrir casi instantáneamente,

de modo que en operaciones de velocidad de deformación es alta, los metales se

deforman más por maclaje que por deslizamiento.

IV.- MATERIALES Y EQUIPOS:

- Máquina de Impacto para ensayo Charpy

- Probetas Charpy estandarizadas de acero al carbono

- Horno eléctrico (mufla) o cocinilla eléctrica

- Hielo seco

- Alcohol

- Agua

- Termómetro o termopar

- Pinzas

V.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

El ensayo consiste en colocar una probeta con entalladura tipo Charpy entre

las mordazas paralelas de la máquina, luego se procede a dejar caer el péndulo

desde una altura conocida que golpea la muesca, en su desviación

descendente, de esta manera logra fracturarla. Seguidamente se procede a

tomar la lectura directamente de la máquina, correspondiente a la cantidad de

energía absorbida durante el impacto.

- Colocar dos (2) probetas en un envase conteniendo alcohol y hielo

seco durante un tiempo aproximado de 10 a 15 minutos.

- Colocar así mismo dos (2) probetas en un horno eléctrico (mufla) a una

temperatura aproximada a los 300ºC.

- Realizar el ensayo a dos (2) probetas testigos a temperatura ambiente.

- Realizar el ensayo al resto de las probetas dentro de los parámetros

establecidos.

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VI.- PROCEDIMIENTO ESXPERIMENTAL EN DIAGRAMA DE FLUJO:

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INICIO

Colocar la probeta en la máquina de ensayo de impacto

Anotar los resultados

FIN

Probetas, máquina de impacto Charpy

Calibrar la máquina de impacto de Charpy

Lectura de la máquina

X

Distintas probetas para medir el impacto

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Nota: Para el día de la práctica deben traer hielo seco y alcohol.

CUESTIONARIO:

1. ¿Que otros factores, aparte de la temperatura, afectan la ductilidad y

fragilidad de los materiales?

2. ¿Cual es la función de la entalladura de la pieza o de la probeta?

BIBLIOGRAFÍA

H.W HAYDEN. Propiedades Mecánicas. Volumen III. Editorial

LIMUSA. 1982.

AVNER. Introducción a la metalurgia física. Ejemplar 4.

Ing. Celirys Morales

ENSAYO DE IMPACTO CHARPY

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NOMBRE: _____________________________________

C.I:_____________________________

SECCIÓN: _______

TABLA DE RESULTADOS EXPERIMENTALES:

Probetas Energía Gestada (Joule)

En Frío

1

2

Promedio

Temperatura Ambiente

1

2

Promedio

Caliente

1

2

Promedio

DISCUSIÓN DE RESULTADOS:

15

CONCLUSIONES:

16