Informe de prácticas
Práctica 2 – Ensayo de fractura por impacto Fundamentos de Ciencias de Materiales
Daniel Clavijo Gil Alejandro Díaz Marrón Marco Casale Nieto David Parrado Pérez Alberto Dueñas Galindo
Índice 1.- Objetivos
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2.- Antecedentes
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3.- Actividades realizadas
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4.- Propiedades mecánicas teóricas de los materiales ensayados
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5.- Cálculos
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6.- Análisis de resultados
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7.- Conclusiones
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8.- Fuentes de error involucradas en las actividades desarrolladas
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9.- Referencias
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1.- Objetivos El objetivo principal es contrastar los valores de energía absorbidos por cuatro probetas de ensayo al ser golpeadas súbitamente por un péndulo. De manera más específica, los objetivos son los siguientes: · Analizar el comportamiento de los materiales en distintas temperaturas (más frágiles al descender la temperatura). · Identificar los comportamientos frágil y dúctil en la fractura de los metales, mediante observación visual. · Determinar la energía que absorbe el material al ser golpeado por un péndulo con un martillo de una masa determinada. · Observar y reconocer las posibles diferencias que pr esentan los diversos materiales en cuanto a ductilidad y fragilidad (en cuanto a su tolerancia a la deformación).
2.- Antecedentes 2.1.- Marco teórico En la prueba de impacto Charpy se determina la cantidad de energía absorbida por un material durante la fractura. Esta energía absorbida es una medida del material como la dureza para estudiar la transición frágil-dúctil, la misma que depende de la temperatura. Se aplica extensamente en la industria. Los resultados que se obtienen son fáciles de preparar y manejar (se obtiene información de forma rápida y e conómica). El ensayo Charpy fue desarrollado en 1905 por un científico francés, donde era necesario entender los problemas de la fractura de naves durante la segunda guerra mundial. Esta prueba consiste en impactar una probeta estándar mediante un péndulo que se deja caer desde cierta altura, la prueba de impacto se realiza en diferentes temperaturas, normalmente de acuerdo a lo exigido por los estándares fijados. El resultado obtenido se mide en Julios o en Libra-pie. El principio de funcionamiento de este ensayo se basa en la física clásica de conservación de la energía pues, sí se conoce la altura inicial h0 y la final h f entre otras propiedades físicas inherentes al péndulo, es fácil calcular la energía potenci al para cada estado. La diferencia entre ambas es la energía de impacto absorbida por la probeta. Los ensayos de choque determinan la fragilidad o capacidad de un metal de absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para producir la fractura de la probeta de un solo impacto. Otra aplicación del ensayo dinámico de choque es la
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de comprobar los distintos grados de revenido que puede alcanzarse en los aceros, como también verificar el correcto recocido o forjado de los mismos. La probeta que se utiliza normalmente, es una barra de unos 55mm de largo y de sección cuadrada de 10mm de lado, y se apoya horizontalmente por sus extremos. Posee una ranura en el medio que garantiza el rompimiento de la probeta por una sección controlada. En la práctica realizada, se utiliza acero F114, acero F114 templado, aluminio 6082 y polietileno a diversas temperaturas. La falla por fragilidad resulta ocasionada por diversos factores que actúan juntos o separados, modifican las características mecánicas de los metales. En los estudios que se han realizado, se comprobaron que son tres las principales causas de variaciones en la fragilidad: la variación en la velocidad de la deformación producida por la rapidez en la aplicación de la carga, la aparición de estados complejos de tensiones generadas por el “efecto de forma”, y las bajas temperaturas que disminuyen la tenacidad de los metales. Los valores de energía necesaria para producir la rotura varían con la temperatura. En cuanto los componentes del ensayo, tenemos un péndulo que, en el final hay una cabeza de un martillo que impacta directamente con la probeta, un yunque sobre el que situamos la probeta y un indicador con una escala graduada (mide en julios).
En la siguiente gráfica, podemos observar un ejemplo de lo que es la variación de la rotura de un material con la temperatura. Es necesario fijar una temperatura de transición, es decir, aquella en la cual el material cambia su capacidad de deformación (dúctil o frágil).
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2.2.- Importancia de la actividad en su formación profesional Es necesario saber en qué condiciones ambientales los materiales son capaces de fracturarse y de qué forma; por ello la realización de este ensayo. Para los que estudiamos ingeniería del automóvil si en un futuro trabajamos en el campo de seguridad vial o de pruebas de impacto de automóviles, estos sufrirán choques y están compuestos por materiales elegidos tanto por la fábrica de construcción como por los ingenieros que trabajan en ella, y si saben elegir bien el material que se usa, los automóviles podrán pasar las pruebas impuestas por Euro NCAP. Por ello, también la energía que absorbe el material en el impacto y si al final se produce la fractura o no.
3.- Actividades realizadas Para el ensayo de impacto Charpy, se utilizó un péndulo de unas características concretas, y se hizo chocar contra una probeta de algún material. De esta forma se obtenía la energía absorbida por la probeta mediante la fórmula = − siendo la energía inicial y final, energía potencial, aunque para este ensayo, la energía absorbida, era proporcionada directamente por la máquina. Se utilizaron 4 probetas de diferentes materiales, como fueron aluminio, acero templado, acero y polietileno y se midieron sus resistencias mediante el ensayo de impacto Charpy para tres temperaturas diferentes: a temperatura ambiente, a 0 ℃ y a 200 ℃ (excepto el polietileno a 200 ℃ debido a su baja temperatura de fusión y maleabilidad a esa temperatura) Las probetas se colocaron en el punto de impacto meticulosamente utilizando una guía, además, para realizar el ensayo a 0 ℃ se utilizó un cubo con 5
hielo y para los 200 ℃ se calentaron las probetas en un horno. Para que las mediciones fueran lo más precisas posibles los tiempos de traslado desde donde estaban las probetas en el cubo o el horno debieron de ser los mínimos posibles, aun así, hubo algún problema con las probetas de aluminio y acero templado calientes debido a que había que transportarlas y colocarlas con pinzas, lo que dificultó el trabajo.
4.- Propiedades mecánicas teóricas de los materiales ensayados
- Acero F 114: Contiene entre 0,40 y 0,50% de carbono. Admite temple a temperaturas comprendidas entre 820 oC y 860 °C y endurecimiento por deformación plástica o acritud después del trabajo en frío. Dentro de la mecanización, este acero precisa de recocido o estabilizado posterior al oxicorte para eliminar la dureza superficial resultante. Su plegado es deficiente, se puede mejorar la conformación aplicando recocido de ablandamiento o globular. Se recomienda conformar siempre en caliente. Para su soldadura se utiliza un electrodo básico o hilo CO2. Se recomienda precalentar entre 200 oC y 250 oC y enfriar lentamente Características mecánicas: R.Kg/mm2 60/75
E. Kg/mm2 33
A% 17
Dureza Brinell 175-220
- Acero F 114 templado: Como se ha mencionado en el apartado anterior, se templa a temperaturas comprendidas entre 820 oC y 860 °C. - Aluminio 6082: La aleación de aluminio 6082 es una aleación de alta resistencia, la más alta de las aleaciones de la serie 6000, que se utiliza más extensamente para el mecanizado. En general, no es adecuada para la anodización. Se utiliza típicamente en el sector del transporte, andamiajes, puentes e ingeniería en general debido a su alta resistencia.
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- Polietileno:
Formado Mecanizado
Soldadura por Soldadura arco fuerte/blanda
Anodizado protector
Bueno
Bueno
Bueno
Bueno
Bueno
- De alta densidad. Sus propiedades mecánicas (rigidez, dureza y resistencia a la tensión) presentan mejor resistencia química y térmica que el polietileno de baja densidad, debido a su mayor densidad. Además es resistente a las bajas temperaturas, impermeable, inerte (al contenido), con poca estabilidad dimensional y no tóxico. También presenta fácil procesamiento y buena resistencia al impacto y a la abrasión. No resiste a fuertes agentes oxidantes como ácido nítrico, ácido sulfúrico fumante, peróxidos de hidrógeno o halógenos. Propiedades mecánicas: Módulo elástico E (N/mm2)
1000
Coeficiente de fricción
0,29
Módulo de tracción (GPa)
0,5-1,2
Relación de Poisson
0,46
Resistencia a tracción (MPa)
15-40
Esfuerzo de rotura (N/mm2)
20-30
Elongación a ruptura (%)
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- Polietileno de baja densidad Módulo elástico E (N/mm2) 200 Módulo de tracción (GPa)
0,1-0,3
Resistencia a tracción (MPa) 5-25 Esfuerzo de rotura (N/mm2) 8-10 Elongación a ruptura (%)
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5.- Cálculos 5.1.- Aluminio Para las probetas de aluminio, hemos obtenido los siguientes datos: 0ºC 18 J
Temp. ambiente (25ºC) 14 J
200ºC 10 J
En este experimento, y como podemos apreciar en los datos, el propio péndulo de Charpy nos da los datos de la energía absorbida por la probeta en el momento de rotura, por lo que ya con los datos podemos obtener directamente la gráfica energía-temperatura.
Energía - Temperatura (Aluminio) 20 18 16 14 ) J ( a í g r e n E
12 10 8 6 4 2 0 0
50
100
150
200
250
Temperatura (ºC)
5.2.- Acero F-114 Para las probetas de acero F-114, hemos obtenido los siguientes datos:
0ºC 12 J
Temp. ambiente (25ºC) 18 J
200ºC 18 J
En este experimento, y como podemos apreciar en los datos, el propio péndulo de Charpy nos da los datos de la energía absorbida por la probeta en el momento de rotura, por lo que ya con los datos podemos obtener directamente la gráfica energía-temperatura.
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Energía - Temperatura (Acero F-114) 20 18 16 14 ) J (
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a í g r e n E
10 8 6 4 2 0 0
50
100
150
200
250
Temperatura (ºC)
5.3.- Acero F-114 templado Para las probetas de acero F-114 templado, hemos obtenido los siguientes datos:
0ºC
Temp. ambiente (25ºC)
200ºC
2J
2J
12 J
En este experimento, y como podemos apreciar en los datos, el propio péndulo de Charpy nos da los datos de la energía absorbida por la probeta en el momento de rotura, por lo que ya con los datos podemos obtener directamente la gráfica energía-temperatura.
Energía - Temperatura (Acero templado) 14 12 10 ) J ( a í g r e n E
8 6 4 2 0 0
50
100
150
Temperatura (ºC)
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200
250
5.4.- Polietileno Para las probetas de polietileno, hemos obtenido los siguientes datos:
0ºC 0J
Temp. ambiente (25ºC) 0J
No se ha medido a 200ºC debido a que la probeta de polietileno se derretiría. En este experimento, y como podemos apreciar en los datos, el propio péndulo de Charpy nos da los datos de la energía absorbida por la probeta en el momento de rotura, por lo que ya con los datos podemos obtener directamente la gráfica energía-temperatura.
Energía - Temperatura (Polietileno) 1 0.9 0.8 0.7 ) J ( a í g r e n E
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
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15
20
25
30
Temperatura (ºC)
6.- Análisis de resultados 6.1.- Aluminio Al realizar las mediciones para las probetas de aluminio, se debe primero tener en cuenta que en la medición en 0ºC la probeta no se rompió completamente, por lo que los datos no son del todo fiables. Además, se puede apreciar en la gráfica que el aluminio es supuestamente más frágil con el aumento de la temperatura, lo cual no debería ser así, lo que significa que las mediciones contienen error. Debido a ello, no se puede conocer ni ver en la gráfica una hipotética temperatura de transición dúctil-frágil.
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6.2.- Acero F-114 En las mediciones del acero F-114, concretamente la realizada en la probeta a 200ºC, se tiene un valor que conlleva a error, ya que pasaron más de 15 segundos desde que se sacó la probeta del horno hasta que se realizó la medición. De todas formas, se puede observar en este caso que la energía absorbida en el impacto aumenta con la temperatura. Además, se puede ver en la gráfica que la temperatura de transición dúctil-frágil parece encontrarse entre los 10ºC y los 15ºC.
6.3.- Acero templado En las mediciones del acero templado se obtuvo el mismo valor de energía absorbida para 0ºC y temperatura ambiente, lo cual no debería ser así, por lo que hay algún tipo de error en la medición. Aun así es posible observar que la energía absorbida por la probeta aumenta con la temperatura a la que se encuentra la probeta. Sin embargo, es difícil poder llegar a ver cuál es la temperatura de transición dúctil-frágil.
6.4.- Polietileno En el caso de las mediciones del polietileno, y como ya se ha indicado con anterioridad, no se ha realizado la medición a 200ºC, ya que la probeta se derretiría y no actuaría como un sólido en sí. Además, tanto para la medición a temperatura ambiente como para la medición a 0ºC se ha obtenido el mismo resultado, aunque cabe destacar que la medición para temperatura ambiente es errónea, ya que la probeta no llegó a romperse. Así, debido a que ambos datos son iguales, la gráfica obtenida resulta ser una recta sin significado, y la cual no nos sirve para llegar a conocer la temperatura de transición dúctil-frágil.
7.- Conclusiones Tras haber analizado los resultados, en primer lugar se puede concluir que las mediciones mediante el péndulo de Charpy contienen errores, tal y como se detalla en el apartado siguiente. Se puede concluir también a pesar de los resultados poco fiables que el material que peor resiste el aumento de temperatura es el polietileno, ya que ni siquiera ha sido posible realizar la medición a 200ºC. Al observar los datos también se puede apreciar que el acero F-114 es el material que es capaz de absorber más energía antes de llegar a romperse, mientras que parece que el aluminio es capaz de absorber más energía a temperaturas más bajas. También cabe destacar que, según los datos obtenidos, el acero templado absorbe menos energía que aquel que no lo está.
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8.- Fuentes de error involucradas en las actividades desarrolladas Existen diversas fuentes de error en la realización de esta práctica . En primer lugar, y como ya se ha indicado previamente caso por caso, algunas de las medidas realizadas son erróneas debido a que las probetas no llegaron a fracturarse. Además, otra de las principales fuentes de error es el hecho de que las medidas dadas por la propia máquina del péndulo de Charpy son indicadas por una aguja analógica, por lo que la propia toma de datos puede ya tener errores dependiendo de la destreza del observador. Por último, pero no por ello menos importante, se encuentra el hecho de que en las mediciones a 200ºC se tarda un tiempo desde que se sacan las probetas del horno hasta que se mide, por lo que durante ese tiempo las probetas pierden calor, y los resultados tienen errores.
9.- Referencias https://es.scribd.com/doc/124656024/Ficha-tecnica-acero-F-114 http://www.phemsa.es/?p=52#more-52 http://www.phemsa.es/?p=36#more-36 http://www.eis.uva.es/~macromol/curso0708/pe/polietileno%20de%20alta%20densidad.htm http://www.capalex.co.uk/spanish/6082_alloy_sp.html https://es.scribd.com/doc/124656024/Ficha-tecnica-acero-F-114
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