Universidad Distrital Francisco José de Caldas Materiales Industriales
ENSAYO DE IMPACTO SOBRE PROBETAS DE ACERO 1020 Flor Ángela Rocha Camacho e-mail:
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Luz Adriana Vera e-mail:
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Daniel Iván Burgos e-mail: divá
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David Corredor e-mail:
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Juan Sebastián Bautista Bernal e-mail:
[email protected] RESUMEN En este artículo se exponen los resultados de los ensayos de impacto tipo Charpy, hechos sobre cuatro probetas de acero 1020, con muesca en v. En base a estos resultados se realizaron los cálculos pertinentes, análisis de datos y conclusiones sobre algunas de las propiedades mecánicas del material. ABSTRACT This paper presents the results of the Charpy type impact tests, made on four specimens of 1020 steel, with v notch . Based on these results were relevant calculations, data analysis and conclusions on some of the mechanical properties of the material. PALABRAS CLAVES: Resiliencia.
impacto en el canto (1eU). Si la probeta no se rompe en esta configuración, el ensayo se realizará con probetas entalladas, aunque en este caso, los resultados no son directamente comparables. De no producirse la rotura de la probeta, se empleará el método de tracción por impacto.
2. OBJETIVOS
Acero, Charpy, Impacto,
1. INTRODUCCION Los ensayos de impacto se utilizan para la determinación del comportamiento de un material a velocidades de deformación más altas. Los Péndulos clásicos determinan la energía absorbida en el impacto por una probeta estandarizada, midiendo la altura de elevación del martillo del Péndulo tras el impacto. Generalmente se pueden aplicar varios métodos de ensayo:
Charpy (ISO 179-1, ASTM D 6110) Izod (ISO 180, ASTM D 256, ASTM D 4508) y 'unnotched cantilever beam impact' (ASTM D 4812) Ensayo tracción por impacto (ISO 8256 und ASTM D 1822) Dynstat ensayo flexión por impacto (DIN 53435)
Dentro de la norma ISO 10350-1 para valores característicos de punto único, el método de ensayo preferido es Charpy acorde a ISO 179-1, Para ello, el ensayo se realiza en probetas no entalladas con
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Observar el comportamiento del acero 1020 en una prueba de impacto. Determinar la velocidad del péndulo al golpear la probeta y la altura a la cual es elevado. Identificar el comportamiento (dúctil o frágil) del acero 1020 según la fractura que presenta después de ser sometido al impacto.
3. PROCEDIMIENTO PRÁCTICA.
DE
LA
Los materiales usados en el ensayo de impacto son: Péndulo de Impacto Martillo (Hammer Nº4 masa = 13.333 Lb) Galga para centrar probeta 4 probetas con entalla en forma de v. 1.
Conectar y encender el equipo por la parte posterior, seleccionar en el modo las condiciones requeridas; masa del martillo (Hammer Nº4 masa = 13.333 Lb), unidades de la energía (joules).
Fig. 1: Screen.
Universidad Distrital Francisco José de Caldas Materiales Industriales 2.
Subir el martillo a la posición más elevada con la palanca en posición Enlanche (Enlanchada). Presionar el Botón compensate.
6. Se repiten los pasos del 2 al 4 pero esta vez con las probetas ubicadas en el lugar respectivo y se toma el dato que registra la máquina. La máquina de ensayo de impacto Charpy nos permite conocer el valor de la energía que puede absorber el material en el proceso de fractura. Para calcular el promedio de energía que puede soportar el acero 1020 usamos cuatro probetas con dimensiones de 54,85 mm de largo y 0,96 mm de ancho con una entalla en forma de v. Para realizar las pruebas se ubica la probeta con la entalla en dirección de la caída del brazo del péndulo, el cual le proporciona el impacto.
3.
4.
5.
Fig. 2: Palanca posición enlanche. Llevar la palanca hasta el tope central Release (Soltar).
Fig. 3: Palanca en posición release. El péndulo descenderá y sólo cuando en la pantalla registre el valor de la energía perdida o compensate, retirar el pin de la posición release y llevar la palanca hasta la posición de Brake (freno). Posteriormente anotamos el valor arrojado por la máquina.
4. ENSAYO DE IMPACTO O DE TENACIDAD. El ensayo Charpy permite calcular cuánta energía logra disipar una probeta al ser golpeada por un pesado péndulo en caída libre. El ensayo entrega valores en Joules, y éstos pueden diferir fuertemente a diferentes temperaturas. El ensayo de impacto consiste en dejar caer un pesado péndulo, el cual a su paso golpea una probeta que tiene forma paralelepípedo ubicada en la base de la máquina. La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la fisura; este entalle recibe el nombre de V-Notch. Luego de golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura que depende de la cantidad de energía disipada al golpear. Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química, esto obliga a realizar el ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una "temperatura de transición dúctil-frágil".
Fig. 4: Palanca en posición brake. Asegurarnos de que el martillo este en una posición baja por seguridad y con el pasador en aluminio, como se indica en la figura 5, posteriormente ubicamos la probeta con la ranura adecuada y utilizando la galga para dicho centraje en los apoyos de la máquina. Fig. 6: Probeta antes del ensayo y las posibles deformaciones presentes.
4.1 PROBETAS USADAS EN LA PRUEBA DE ENSAYO CHARPY. Fig 5: Ubicación de la probeta.
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Universidad Distrital Francisco José de Caldas Materiales Industriales Las probetas de sección rectangular o circular se mecanizan a partir de muestras representativas del material, variando su tamaño y dimensiones y los de la entalla en función de la máquina y norma nacional utilizada en el ensayo.
Fig. 7: Forma de Entalla de las Probetas. La probeta tipo según ISO y normativa europea es de sección cuadrada de 10 mm de lado y 55 mm de longitud colocándose con una distancia entre apoyos de 40 mm. La entalla es de los tipos bulbo y cilíndrica con una profundidad de 5 mm, ancho máximo de 2 mm y una superficie de rotura de 10×5 mm². En la norma ASTM E23 o Charpy-V la probeta es de iguales dimensiones y distancia entre apoyos que la anterior pero la entalla es triangular formando las caras un ángulo de 45º, con una profundidad de 2mm y redondeo en el fondo de la entalla de 0,25 mm de radio. La norma DIN 50115 emplea probetas similares a las ISO pero de menos profundidad (3 mm la DVM y 2 mm la DVMK). La entalla de las probetas Izod, equivalentes a la norma BS 131 (V) son triangulares con las dimensiones de la Charpy-V.
4.2 NORMAS PARA REALIZAR LOS ENSAYOS DE IMPACTO CHARPY Los ensayos de impacto se utilizan para la determinación del comportamiento de un material a velocidades de deformación más altas. Los péndulos determinan la energía absorbida en el impacto por una probeta estandarizada, midiendo la altura de elevación del martillo del Péndulo tras el impacto. Generalmente se pueden aplicar varios métodos de ensayo: Charpy (ISO 179-1, ASTM D6110) Izod (ISO 180, ASTM D256, ASTM D4, ASTM D 4812) Ensayo tracción por impacto (ISO 8256 y ASTM D1822) Dynstat ensayo flexión por impacto (DIN 53435)
caso, los resultados no son directamente comparables. De no producirse la rotura de la probeta, se empleará el método de tracción por impacto. Dentro de las normas ASTM, el método Izod acorde a ASTM D 256 es el más corriente. En él se emplean siempre probetas entalladas. Un método de aplicación menos común es el "unnotched cantilever beam impact" descrito en la norma ASTM D 4812. Este método es parecido al procedimiento Izod, pero con probetas no entalladas. En el caso de que sólo se pueden producir probetas pequeñas, se puede proceder por el método "Chip-impact" acorde a ASTM D 4508. El procedimiento Charpy tiene una amplia gama de aplicación y es el más adecuado para el ensayo de materiales que presentan rotura por cizallamiento interlaminar o efectos de superficie. Además, el método Charpy ofrece ventajas en los ensayos con temperaturas bajas, ya que los asientos de la probeta se encuentran más alejados de la entalladura, evitando así una rápida transmisión de calor a las partes críticas de la probeta. De acuerdo con ISO, cada martillo se puede emplear en un área del 10 al 80% de su energía nominal inicial. ASTM permite hasta un 85%. La diferencia principal entre ISO y ASTM reside en la selección del tamaño del martillo. Según ISO, hay que emplear siempre el martillo más grande posible, aunque la cobertura de rangos es a veces mínima. Esta exigencia se basa en el supuesto de que la pérdida de velocidad al romper la probeta se tiene que mantener en un mínimo. El martillo estándar descrito en ASTM tiene una energía nominal de 2.7 Joule, todos los demás tamaños se obtienen multiplicando por dos. En este caso se ha de seleccionar el martillo más pequeño del rango para el ensayo. Los Péndulos Zwick del tipo 5102 y 5113 y los de la nueva serie HIT son diseñados estrictamente acorde a las normas DIN, ISO y ASTM.
5. ENERGIA ABSORBIDA POR CADA PROBETA EN EL IMPACTO. Al ser sometida cada probeta de acero 1020 al impacto de la masa del péndulo se registraron los siguientes datos: ENSAYO DE IMPACTO CHARPY
Dentro de la norma ISO 10350-1 para valores característicos de punto único, el método de ensayo preferido es Charpy acorde a ISO 179-1, Para ello, el ensayo se realiza en probetas no entalladas. Si la probeta no se rompe en esta configuración, el ensayo se realizará con probetas entalladas, aunque en este
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Nº PROBETA
ENERGIA QUE SOPORTA.
1
8.379 joules
2
10.70 joules
3
11.09 joules
2
9.962 joules
Universidad Distrital Francisco José de Caldas Materiales Industriales Tabla 1. Datos obtenidos
7.1 VELOCIDAD DE IMPACTO 7.1.1. PROBETA Nº 1
En la tabla Nº 1 se relaciona cada probeta con el resultado que arrojo la máquina, en el caso de la probeta número tres no se obtuvieron resultados del impacto esto pudo haber sido por mal manipulación de la maquina en el momento del ensayo, por tanto esta probeta no arrojo resultados concluyentes.
V= 1.586 m/s
7.1.2 PROBETA Nº 2.
V= 1.792 m/s
7.1.3 PROBETA Nº 3:
V=1.824m/s
Grafica 1. Energía absorbida
7.1.4 PROBETA Nº 4:
6. PROMEDIO DE LOS RESULTADOS Al hacer el ensayo con diferentes probetas del mismo material, acero 1020, se obtuvieron los resultados de la tabla anterior, con los cuales podemos hallar el promedio de energía que soporta este material a temperatura ambiente y en condiciones naturales de este tipo de acero, es decir sin ser sometido a cambios antes de la practica. (10.03joul + 9.197joul + 7,171joul)/ 3 = 8.799 joul. Basándonos en los datos obtenidos en el ensayo de impacto charpy el promedio de energía que soporta el acero 1020 a un impacto con un péndulo de masa 13.33 libras y de longitud 80 cm es de 8.799 joul, considerando despreciable la falla del la tercera probeta.
7. VELOCIDAD DE IMPACTO ALTURA INICIAL DEL MARTILLO
Y
Para determinar la velocidad del martillo en el momento del imparto empleamos la siguiente ecuación:
V= 1.729 m/s
7.1.4 PROMEDIO DE VELOCIDAD DE IMPACTO: V= (1.586 m/s + 1.792 m/s + 1.824 m/s+ 1.729m/s)/4 = 1.732 m/s La velocidad promedio de impacto es de 1.732 m/s.
7.2 ALTURA INICIAL DEL MARTILLO Para calcular la altura inicial del martillo usamos la ley de senos y cosenos, puesto que inicialmente conocemos la longitud del brazo que es de 80 cm, y el ángulo al cual es elevado, 135°, en los cuatro ensayos de impacto con el acero 1020 de llevo el péndulo a una misma altura. (Fig.2)
Mediante la prueba experimental obtuvimos la energía de cada impacto, y sabemos por propiedades de la maquina el peso de la masa es de 13.33 libras. Al despejar la formula obtenemos que:
Donde k es la energía cinética, M es el peso de la masa en kg, y V es la velocidad de impacto.
Fig. 8: Datos conocidos en el péndulo charpy e incógnitas del mismo. Conociendo que la ley de cosenos expresa que:
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Universidad Distrital Francisco José de Caldas Materiales Industriales 9. FICHA TECNICA Podemos hallar la medida del lado C, por tanto: Material.
Acero 1020 al natural 0.96 mm de ancho
Medidas
54,85 mm de largo
Para conocer la altura inicial del martillo usamos la ley de los senos:
Capacidad de impacto promedio 8.799 joules. Velocidad de impacto promedio 1.62 m/s
B = 131.62 Sen(67.49) B = 121.85 cm La altura inicial del martillo es de 121.85 cm
Altura péndulo
del
Tipo fractura
de
131.85 cm. Frágil.
11. CONCLUSIONES 8. TIPO DE FRACTURA PRESENTE EN EL MATERIAL
Las 4 probetas de acero 1020 usadas en el ensayo de impacto Charpy se partieron justo en el área localizada alrededor de la entalla, es decir, en el área en donde se concentra el esfuerzo generado por el impacto. Todas las probetas sometidas al ensayo presentaron el mismo tipo de fractura, más dúctil que frágil, este comportamiento es típico de los aceros con bajo contenido de carbono.
Este ensayo nos permitió afirmar que el acero 1020 es un material más dúctil que frágil. Podemos concluir que los resultados del ensayo son efectivamente los esperados También podemos concluir que la aleación de hierro con bajo contenido de carbono le da al acero una resiliencia bastante alta sin sacrificar mucho otras propiedades metálicas del metal.
12. BIBLIOGRAFIA http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/ materials6-1.html http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/ materials6-1.html Askeland Donald R., La Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Grupo Editorial Iberoamérica. http://es.scribd.com/doc/6164000/PRUEBASMECANICAS
Fig. 9: probetas de acero 1020 ensayo de impacto
usadas en el
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