Definición de carga de impacto Una carga por impacto se define como el efecto dinámico que actúa sobre una estructura, móvil o estática, tiene una carga aplicada de corta duración debido a su movimiento. También llamada carga móvil, carga de choque, repentina o de impulso. Pueden dividirse en tres categorías según su severidad de aplicación: • Cargas que se mueven con rapidez de magnitud constante (ej: vehículo que cruza un puente) • Cargas aplicadas repentinamente, como aquellas que son resultado de una explosión o de la combustión dentro de un cilindro. • Cargas de impacto directo, como las producidas por un martillo neumático, el choque de un vehículo, etc.
Ensayos de carga de impacto Ensayo Charpy. El nombre de este ensayo se debe a su creador Albert Charpy, este ensayo consiste en golpear mediante una masa una probeta que se situa en el soporte S (figura 1). La masa M, la cual se encuentra acoplada al extremo del pendulo 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 E a 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 que se conoce el ángulo inicial de aplicación de la carga (α) y el ángulo final (β) al que se eleva el péndulo después de la rotura completa de la probeta, se puede calcular la energía E a mediante la siguiente expresión:
E a MgLcos cos Los modos de fractura que pueden experimentar los materiales se clasifican en dúctiles y frágiles, esto depende de la capacidad que tienen de absorber energía durante este proceso. La prueba de impacto Charpy se realiza según las normas internacionales en las cuales se detallan las dimensiones de las probetas empleadas en este tipo de ensayo, así como la forma de reportar los resultados de los mismos. Según la norma ISO, los resultados de los ensayos de impacto, en probetas entalladas, se suelen expresar en ( kJ / m 2 ), para lo cual se divide la energía absorbida para provocar la fractura de la probeta entre la sección transversal de la misma en la zona de la entallada ( h x bN ).
Soporte para probetas tipo Charpy Para este tipo de ensayo, las mordazas deben de sujetar la probeta por cada uno de sus extremos, dejando un canal para el paso del péndulo, que debe tener una distancia de 40mm según la norma ASTM E-23.
Ensayo Izod. Este ensayo consiste en romper una probeta sostenida en voladizo en posición horizontal, por medio de un golpe en su extremo libre, esto se realiza mediante un péndulo al igual que el ensayo Charpy. A esta probeta también se le realiza una muesca en su base, la cual se hace a toda su sección transversal.
Forma de la probeta para la prueba Izod
Mordaza para probetas tipo Izod Para el ensayo de impacto tipo Izod, las mordazas deben sujetar la probeta por uno de sus extremos, dejándola en voladizo, para que el golpe suceda a 22mm de la muesca según la norma ASTM E-23.
Martillo para pruebas tipo Izod El martillo para este tipo de prueba de impacto, también requiere que cumpla con ciertas normas, en donde se especifican los ángulos y dimensiones en contacto con la probeta. Es necesario tener en cuenta que como la probeta está en posición horizontal, el martillo debe ser colocado un giro de 90⁰ respecto al eje del péndulo.
Resultados de carga de impacto Ensayo Izod El parámetro más relevante determinado en estos ensayos es la energía absorbida en la rotura de la probeta, que se conoce como resistencia al impacto y se suele medir en kJ/m2. El ensayo puede realizarse con mazas instrumentadas de diversa capacidad que permiten registrar de manera continua la fuerza aplicada sobre la probeta y la velocidad de la propia maza. Algunas propiedades que se buscan el ensayo son - Trabajo absorbido en el choque. -Valor de resiliencia. -Análisis de fractura. Ejemplo de datos obtenidos en una prueba Izod a un acero F114 Información obtenida El acero F114 absorbe 6.5, 6. 75 y 7 Kg/m2 El valor medio es 6.75 Kg/m2 Resiliencia: = T/So Kj/m2 x 9.8= J. Energia absorbida ---
= 826875 J/ m2
Presenta deformación previa. Rotura algo frágil: 70%frágil, 30% dúctil.
Ensayo Charpy
El valor obtenido en el ensayo nos sirve de referencia válida para prever el comportamiento de los materiales frente a cargas dinámicas (variables) y valorar si un material concreto será adecuado en una determinada situación, si bien, a diferencia de otras características determinadas mediante ensayo, como por ejemplo las del ensayo de tracción, el valor de la resiliencia no tiene utilidad en los cálculos de diseño. La información que se obtiene en este ensayo es la curva Fuerza vs Tiempo y los resultados del ensayo son Fuerza máxima (Newton) Energía de impacto (Julios) Velocidad de impacto (m/s) Energía Absorbida (Julios) Ángulo inicial (grados) Ángulo final (grados)
Un ejemplo de los resultados de una serie de pruebas de choque realizadas a diversas temperaturas se muestra en la siguiente figura
A temperaturas altas, se requiere una gran absorción de energía para que se rompa la probeta, y se fractura con poca energía absorbida, a temperaturas bajas. A temperaturas elevadas el material se comporta de manera dúctil, con gran deformación y estiramiento de la probeta antes de fracturarse. A temperaturas reducidas, el material es frágil y se observa poca deformación en el punto de fractura. La temperatura de transición es aquella a la cual el material cambia de presentar una fractura dúctil a una frágil.
Un material que vaya a estar sometido a impacto durante su funcionamiento debe tener una temperatura de transición inferior a la temperatura circundante. Por ejemplo, la temperatura de transición del acero utilizado para un martillo de carpintero debe ser menor que la temperatura ambiente par a evitar el desportilla miento de la herramienta.
La energía de impacto corresponde al área delimitada por la curva esfuerzo real-deformación real. Los materiales que presentan alta resistencia y alta ductilidad, tienen una tenacidad adecuada. Los cerámicos tienen escasa tenacidad debido a que son quebradizos y virtualmente no presentan ductilidad La energía absorbida y la temperatura de transición son muy sensibles a las condiciones de carga. Por ejemplo, una mayor rapidez de aplicación de la energía de impacto a la muestra reducirá la energía absorbida e incrementará la temperatura de transición Debido a que frecuentemente no es posible predecir o controlar todas estas condiciones en los materiales, el ensayo de impacto se utiliza mejor para la comparación y selección de los materiales, que para obtener criterios de diseño.
