LABORATORIO LABORATORIO DE METALURGIA MECÁNICA – ENSAYO DE IMPACTO
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales Laboratorio de Metalurgia Mecánica
Informe N° 7 ENSAYO DE IMPACTO CHARPY
Elaborado por: Oscar Leonardo Sanabria González 2090615 Johan Steve Estévez Torres 2090613
Bucaramanga, Agosto de 2012 I Periodo Académico
LABORATORIO DE METALURGIA MECÁNICA – ENSAYO DE IMPACTO
INTRODUCCIÓN El nombre de este ensayo se debe a su creador, el francés Agustín Georges Albert Charpy (18651945). A través del mismo se puede conocer el comportamiento que tienen los materiales al impacto. IMPACTO: Resistencia que opone un material a la penetración por acción dinámica de un material
más duro. Se mide por la energía absorbida por el material en el instante en que falla (se rompe).
ESFU ERZO DE I M PACTO: Relación que resulta entre la energía absorbida por la rotura del
material y el área resistente:
[]
ESFU ERZO POR FROTAM I ENTO, E f : Energía absorbida por la maquina en vencer la fricción
que presenta el aire y los cojinetes en los apoyos.
EN ERGÍA D E E NSAYO, E e : Energía total leída durante el ensayo:
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 esta 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
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA. TRANSICIÓN DÚCTIL-FRÁGIL A pesar de que todos los factores que condicionan el modo de fractura de los materiales tienen una gran importancia, el efecto de la temperatura es tal vez, entre todos ellos, el más conocido. Esto se debe a que algunas de las catástrofes estructurales mas divulgadas, ocurridas en el siglo pasado, están relacionadas con la transición dúctil - frágil que experimentan algunos materiales al disminuir la temperatura. En los materiales puros, la transición dúctil - frágil debe ocurrir a una temperatura determinada, sin embargo para muchos materiales esa transición ocurre en un rango amplio de temperaturas el cual está dado por la composición específica de cada material. Como ya hemos visto a lo largo de este estudio, el comportamiento dúctil de un material viene acompañado de una deformación plástica y de una absorción de energía considerable. El mecanismo mediante el cual los materiales son capaces de absorber energía mientras se deforman, depende concretamente de su estructura interna. Es por ello que analizaremos inicialmente los materiales con estructura cristalina (metales) y seguidamente los polímeros. METALES En el caso de los metales o aleaciones, el flujo plástico que posibilita que estos materiales se deformen es consecuencia del movimiento de las dislocaciones. Este movimiento a su vez está relacionado con el número de sistemas de deslizamiento que se encuentren activos a una temperatura dada. Es por ello que la combinación temperatura-tipo de estructura cristalina, determina la magnitud en la que se puede manifestar la transición dúctil - frágil. Si el esfuerzo requerido para mover una dislocación es muy alto, el metal fallara debido a la propagación de una grieta y la fractura será frágil.
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Generalmente los sistemas de deslizamiento coinciden con los planos mas compactos de los distintos sistemas cristalinos, lo cual no ocurre en los metales que tienen una estructura cubica centrada en el cuerpo, como el Fe. Estos metales suelen fallar de forma frágil a temperaturas relativamente bajas y tienen un comportamiento dúctil a temperaturas altas. A partir de las curvas esfuerzo- deformación mostrada en la figura 2, obtenida de ensayos de tracción realizados al Fe a diferentes temperaturas, se observa que existe un aumento considerable del límite elástico a medida que disminuye la temperatura del ensayo. Este aumento del límite elástico, junto con la disminución de la velocidad de las dislocaciones a medida que disminuye la temperatura, conducen a fragilizar el material.
Figura 1. Curvas esfuerzo-deformación para el hierro a diferentes temperaturas. INFLUENCIAS MICROS ESTRUCTURALES Composición del material En los aceros al introducir carbono formamos una solución sólida intersticial (porque los átomos de C son muy pequeños y ocupan los intersticios), el cual es un mecanismo de endurecimiento. Esto hace al material menos tenaz. Cuanto más carbono añadimos hacemos más favorable la fractura frágil. El oxígeno fragiliza también el acero, y de forma más pronunciada. Algo similar sucede con los elementos aleantes, abundantes en los aceros SAE 4140 y 4340. Tamaño de grano La disminución del tamaño de grano endurece al material y a la vez aumenta su tenacidad. Esto se debe a que la deformación inducida es más fácil de absorber debido a la gran superficie del límite de grano (de alto desorden). Es decir que al someter una probeta a un tratamiento térmico de recocido, el cual aumenta el tamaño de grano, el material se hace más dúctil pero menos tenaz a la fractura.
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Estructura cristalina Los materiales con estructura FCC son muy tenaces. Presentan una transición muy suave. Se utilizan para trabajar a temperaturas criogénicas (como por ejemplo los aceros 5 inoxidables austeníticos). Los materiales BCC presentan sin embargo una transición muy brusca. Los materiales HC tienen un comportamiento similar al de las aleaciones de alta resistencia (poca transición pero baja tenacidad), a excepción del titanio (muy tenaz). Los materiales FCC serán dúctiles y tenaces para cualquier velocidad de aplicación de la carga y para cualquier temperatura. Materiales dúctiles como los BCC a temperatura ambiente y bajas velocidades de aplicación de la carga se comportan como frágiles cuando la temperatura es baja y cuando a temperatura ambiente se aplica la carga a altas velocidades. Esto significa que la fractura frágil se puede dar con uno o más requisitos. Los materiales HC serán frágiles en prácticamente todas las condiciones (con excepciones). OBJETIVOS Determinar la resistencia y el comportamiento de productos metálicos bajo la acción de o cargas dinámicas. PROCEDIMIENTO
FROTAMIENTO: Se coloca el péndulo en la posición de altura máxima fijándolo en esa
posición con el gancho de seguridad. Sin colocar probeta alguna y con la aguja del cuadrante de lectura en posición de valores máximos, de ‘E’, ‘ G’ y ‘τ’. Liberar el péndulo removiendo el gancho de seguridad y se deja girar libremente. Interrumpa el desplazamiento del péndulo con la palanca de freno una vez este regresando a su posición inicial. Tomar las lecturas correspondientes a los valores de energía por frotamiento ( E f ), ángulo por frotamiento (G f ) y esfuerzo por frotamiento ( τ f ). Repetir el procedimiento anterior con el fin de ensayar las probetas en los apoyos de la viga Charpy de tal manera que reciba el impacto del martillo sobre la cara opuesta a la ranura y que el plano de simetría de esta coincida con el plano de oscilación del martillo. Soltar el martillo para que produzca el impacto sobre las probetas y tomar las lecturas de energía, ángulo y esfuerzo.
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MATERIALES Y EQUIPOS
Figura 2. Péndulo de Impacto. M áquina de En sayo: Péndulo de impacto marca Trebel ( Fig. 2.): H p: Altura potencial del péndulo (posición de reposo) desde donde el péndulo inicia su
caída para realizar su trabajo. B: Ángulo que marca la posición de máxima altura del péndulo con respecto a un eje vertical. 151° (Fig. 3.)
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Figura 3. Ángulos que forman el péndulo con la vertical. Las lecturas del ensayo se tomaran en el plato semicircular donde están grabadas tres escalas: a. Escala Exterior: Indica la energía por frotamiento o del experimento, [kg.m] b. Escala Intermedia: Mide el ángulo del experimento o por frotamiento. c. Escala Interior: Mide el esfuerzo en [Kg.m/cm2] Las lecturas de la escala “C” esta prevista para probetas standard de dimensiones 10x10x45
[mm]. De tal forma que solo se utilizara cuando se utilicen estas probetas. MARTIL LO DE I MPACTO: Fijo mediante un eje horizontal o los cojinetes apoyados en la
maquina Impacto TREBEL que debe tener en la punta un ángulo de 30°±1° y un radio de curvatura de 2 a 2,5 [mm]. El martillo debe oscilar en un plano vertical y el centro de percusión debe coincidir con el centro de impacto (Fig. 3.). VI GA SI M PLEMEN TE APOYADA (VIGA CHARPY, (Fig. 4.):
2 PROBETA S: Debe ser de 55 [mm] de longitud y de sección recta aproximadamente de
lados iguales. En el centro de la longitud se hace una ranura de las características indicadas en la figura; Aceros de bajo carbono AISI-SAE 1020, de diferente temperatura.
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Figura 4. Viga Charpy.
Microscopio Invertido Metalúrgico. Calibrador. Caja refrigeradora con hielo químico.
DATOS Cálculos (Fig. 3.)
[I] [II] [III] [IV] [V] [VI] [VII] [VIII] [IX]
Micrografías
Figura 5. Acero Bajo al carbono AISI-SAE 1020 a 100x.
Figura 6. Acero Bajo al carbono AISI-SAE 1020 a 200x.
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Figura 7. Acero Bajo al carbono AISI-SAE 1020 a 500x. Datos
Tabla 1. Datos medidos en la práctica de impacto. Acero AISIENSAYO SAE 1020 a T°AMB 2,5 Ee = ENERGÍA TOTAL, [m.Kg] 15 Ge = ÁNGULO, [°] 2 3,5 τe = ESFUERZO, [m.Kg/cm ] FROTAMIENTO Ef = ENERGÍA, [m.Kg] Gf = ÁNGULO, [°] 2
τf = ESFUERZO, [m.Kg/cm
]
IMPACTO Ei = ENERGÍA, [m.Kg] Gi = ÁNGULO, [°] τi = ESFUERZO, [m.Kg/cm
2
]
Acero AISISAE 1020 a -40 [°C] 0,74 5 0,9
Sin Probetas 0,25 1,5 0,25 Acero AISISAE 1020 a T°AMB 2,25 13,5 3,25
Acero AISISAE 1020 a -40 [°C] 3,5 3,5 0,65
R [cm]
80,5
80,5
80,5
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Luego de hacer los respectivos cálculos se obtuvo la siguiente tabla: Tabla 2. Cálculos determinados con los datos de la Tabla 1. MATERIAL ACERO 1020 A T°AMB ACERO 1020 A -40 [°C]
Ee [m.Kg] Ef [m.Kg] Ei [m.Kg] Ge [°] Gf [°] Gi [°] He [cm] HSe [cm] HSi [cm] HSf [cm] Hi [cm] Hf [cm] Hp [cm] R [cm]
2,5 0,25 2,25 15 1,5 13,5 150,3664425 153,093962 50,93191939 95,72372694 48,20439988 92,99620742 2,727519514 80,5
0,74 0,25 0,49 5 1,5 3,5 35,78762482 38,51514433 146,0422726 2,727519514 143,3147531 0 2,727519514 80,5
ANÁLISIS DE RESULTADOS Fallos mecánicos reales relacionados con estos factores Ejemplos de catástrofes producidas por la combinación de varios factores, entre ellos el efecto de la transición dúctil - frágil, los encontramos tanto en aleaciones como en polímeros: Los barcos “Liberty” usados al final de la Segunda Guerra Mundial sufrieron catastróficas fallas durante el invierno de 1942, conllevando a que algunos de estos buques se partieran literalmente en dos. Entre las causas de estos fallos se encontraba la presencia de un diseño inadecuado de las uniones soldadas, lo que contribuía a la presencia de altos niveles de concentraciones de esfuerzos en zonas localizadas. Esto unido al comportamiento frágil del acero a bajas temperaturas inducia la propagación de grietas que provocaba la fractura de su estructura. Otro caso ocurrido previamente fue el hundimiento del Titánic en el año 1912. El acero utilizado en su construcción era el mejor de su época, sin embargo hoy en día no pasaría las pruebas más elementales de calidad, producto del alto contenido de impurezas que contenía. Ese alto contenido de impurezas provoca que la resistencia del acero a la fractura sea baja, y especialmente en condiciones de baja temperatura su ductilidad se ve reducida. Por lo cual todos estos factores influyeron negativamente al ocurrir el impacto del Titanic con el iceberg en aguas heladas, lo que conllevo a su posterior hundimiento. Un hecho más reciente ocurrido en el año 1986, fue la explosión del trasbordador Challenger. En este caso la baja resiliencia (capacidad de absorción de energía en la zona elástica de la curva esfuerzo- deformación) de los anillos (polímeros elastómeros) que cumplían la función de sellar las zonas seccionadas de los cohetes propulsores, produjeron que los gases generados por la combustión salieran al exterior e incidieran en el tanque de combustible principal, lo cual provocó la explosión del Challenger. Los anillos conocidos como “O ring ”, por su forma, son construidos de materiales elastómeros. Este material se emplea en su fabricación con el objetivo de que sean capaces de deformarse elásticamente, “siguiendo” las dilataciones que se producen dentro de la zona seccionada de los cohetes propulsores.
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Sin embargo al disminuir la temperatura la poca capacidad de movimiento de sus cadenas poliméricas conllevó a aumentar la rigidez de estos anillos, disminuyendo la rapidez de su “respuesta”. Aunque esta causa de forma aislada no fue la única que condujo al desastre, si jugó un papel fundamental en su desencadenamiento, conclusión a la cual llegó Feynman al observar posteriormente a través de fotos ( Fig. 8.), las condiciones en las que se encontraba la rampa de lanzamiento momentos antes de ocurrir la tragedia.
Figura 8. Rampa de lanzamiento del trasbordador Challenger, donde se puede observar la presencia de hielo. CONCLUSIONES Tenemos que tener muy en cuenta que para diferenciar los materiales frágiles y dúctiles se necesita tener muy en cuenta la temperatura a la cual se encuentra el material ya que este es un factor muy importante ya que si un material se lo enfría o calienta este puede perder o ganar tenacidad es decir dureza, y así pasar de ser dúctil a frágil.
Así también como la estructura interna de los materiales y su comportamiento a la fractura, como podría ser: el tamaño del grano, la composición de la aleación y la presencia de precipitados, entre otros.
La rapidez de la prueba como el tamaño de la probeta afectan los resultados debido a que es difícil que se deforme un material con mayor espesor. La configuración de la muestra afecta el comportamiento, una grieta en la muestra requiere de menos energía que una muestra en V .Como no es posible predecir ni controlar estas variables, este ensayo es utilizado para comparación y selección de materiales.
BIBLIOGRAFÍA.
Guías para la realización del laboratorio de metalurgia mecánica. DIETER. George, Metallurgical Mechanic. Editorial McGraw Hill 1988
