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 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 dúcti l-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
2. OBJETIVOS:
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:
2.1 OBJETIVOS GENERAL.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS.
La velocidad de aplicación de la carga, la cual se controla variando el á ngulo 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.
Realizar el análisis de los resultados obtenidos en el ensayo y determinar las propiedades mecánicas.
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.
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.
La fig 1. Muestra el Esquema del ensayo de Charpy.
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA. TRANSICIÓN (DÚCTIL- FRÁGIL)
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.
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).
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.
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.
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)
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.
(a) probeta con ranura en V
Estufa eléctrica
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
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
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
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 Una pinza o pinzas es una máquinaherramienta 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.
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.
Biker ó vaso de precipitados
Hielo seco
Se llama hielo seco o nieve Carbónica al dióxido de carbono (CO2) en estado sólido. Recibe este nombre
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 (CharpyIzod). 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.
TABLA 2. ENERGIA ABSORBIDA(J)
ANGULO DE ELEVACION
5
144°
14
135°
70
90°
6.2 GRAFICAS: GRAFICA DE TEMPERATURA RESISTENCIA AL IMPACTO.
VS
Grafica (T vs RI)
7000
6000 ) m / J ( 5000 O T C A4000 P N I L A3000 A I C N E2000 T S I S E1000 R 0 -50
Así se realizará el mismo procedimiento para cada probeta a diferentes temperaturas
0
50
100
150
200
TEMPERTURA (°C)
GRAFICA DE TEMPERATURA ENERGIA ABSORBIDA.
VS
6. RESULTADOS. 6.1 TABLAS:
GRAFICA ( T vs EA)
80 70
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 ESPESOR(m) IMPACTO(J/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
60 ) J ( A 50 D I B R O40 S B A30 A I G R20 E N E 10 0 -50
0
50
100
TEMPERATURA(°C)
150
200
7. ANALISIS DE RESULTADOS.
8. CONCLUSION.
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.
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.
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.
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.
