Ensayo De Resiliencia 3n2165

ENSAYO DE RESILIENCIA: PENDULO DE CHARPY

OBJETIVOS

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Analizar el comportamiento de la probeta de acero al ser sometida a un esfuerzo de impacto.

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Identificar el comportamiento frágil y dúctil en la fractura de la probeta, mediante observación visual.

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Observar y reconocer las posibles diferencias que presentan las probetas al estar a diferentes temperaturas en cuanto a ductilidad y fragilidad.

INTRODUCCIÓN

En elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas, las que pueden aparecer circunstancialmente, su falla se produce generalmente, al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aun en aquellos metales considerados como dúctiles. En estos casos es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto. El ensayo de tracción estático nos da valores correctos de la ductilidad de un metal, no resulta preciso para determinar su grado de tenacidad o fragilidad, en condiciones variables de trabajo. Los ensayos de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la fractura de la probeta de un solo choque, el que se refiere a la unidad de área, para obtener lo que se denomina resiliencia. Este nuevo concepto, tampoco nos ofrece una propiedad definida del material, sino que constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos realizados en idénticas condiciones, por lo que se debe tener muy en cuenta los distintos factores que inciden sobre ella. Resumiendo diremos que el objeto del ensayo de impacto es el de comprobar si una maquina o estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo, muy especialmente cuando las piezas experimentan concentración de tensiones, por cambios bruscos de sección, maquinados incorrectos, fileteados, etcétera, o bien verificar el correcto tratamiento térmico del material ensayado.

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MARCO TEORICO Es el ensayo para ponderar la resistencia al choque en las condiciones especificadas en el mismo, las que son condiciones fragilizantes del material. La resistencia al choque es una medida de la tenacidad de un material, la que se define como la capacidad de absorción de energía antes de aparecer la fractura súbita. En el ensayo de tracción uniaxial fue cuantificada la tenacidad por la energía absorbida por el volumen de la probeta hasta alcanzar la carga de máxima resistencia, Pr. Corresponde a la tenacidad en condiciones de velocidad de aplicación de carga calificada como pequeña, casi nula. Mayores velocidades de aplicación de la carga influyen con menores medidas de tenacidad. En todos los ensayos los parámetros controlados están influidos por las condiciones que definen el ensayo: forma y tamaño de la probeta, temperatura, velocidad de aplicación de la carga, etc. En el caso de la medida de la tenacidad la influencia de estos parámetros externos o internos es todavía más evidente que en otros ensayos. Por estas circunstancias pueden existir diversos ensayos definitorios de la tenacidad. En el que observaremos en este capitulo es el denominado de resiliencia, sin menoscabo de otros que ponderan la tenacidad en condiciones diferentes como en el caso de los ensayos KIC que se analizan en el siguiente apartado. El péndulo de Charpy es un péndulo ideado por Georges Charpy que se utiliza en ensayos para determinar la tenacidad de un material. Son ensayos de impacto de una probeta entallada y ensayada a flexión en 3 puntos. El péndulo cae sobre el dorso de la probeta y la parte. La diferencia entre la altura inicial del péndulo (h) y la final tras el impacto (h') permite medir la energía absorbida en el proceso de fracturar la probeta. En estricto rigor se mide la energía absorbida en el área debajo de la curva de carga, desplazamiento que se conoce como resiliencia.

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MÉTODO DE ENSAYO. Cuanto más frágil sea el material y menor su tenacidad, menos resiliencia presentará. Materiales muy dúctiles y tenaces absorben grandes cantidades de energía de choque. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química del material. Se realizan dos tipos de ensayos:

 

Charpy, en el que la probeta se apoya en un soporte y recibe el impacto en el centro por la cara opuesta a la hendidura. Izod, en el que la probeta se embute hasta la mitad, recibiendo el impacto en el extremo del voladizo por la cara de la entalla.

Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o martillo pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada.

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En ambos casos la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, la diferencia radica en la posición de la probeta entallada, como se muestra en la figura por lo que se los denomina flexión por choque. El péndulo de Charpy es un dispositivo utilizado en ensayo para determinar la tenacidad de un material. Son ensayos de impacto de una probeta entallada y ensayada a flexión en 3 puntos. El péndulo cae sobre el dorso de la probeta y la parte. La diferencia entre la altura inicial del péndulo (h) y la final tras el impacto (h') permite medir la energía absorbida en el proceso de fracturar la probeta. En estricto rigor se mide la energía absorbida en el aérea debajo de la curva de carga, desplazamiento que se conoce como resiliencia. La velocidad que adquiere la masa al golpear la probeta queda determinada por la altura del péndulo. Tras la rotura, la masa continúa su camino hasta llegar a una cierta altura, a partir de la cual se determina la energía absorbida. Así se medirá la energía absorbida por ese golpe. Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse.

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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". La energía absorbida por la probeta (en [J]), se puede medir calculando la diferencia de energía del péndulo antes y después del impacto, mediante la altura a la que llega el péndulo después de romper la probeta ecuación 

El problema de este método es que resulta muy inexacto medir la altura a la que llega la

masa, entonces como se sabe el ángulo inicial del péndulo (a) y la máquina registra el ángulo final (b), mediante relaciones trigonométricas se llega a relacionar la energía absorbida en función de los ángulos y el largo del brazo en la ecuación 

Cuanta mayor sea la fragilidad del material y menor su tenacidad más fácilmente

romperá el péndulo la probeta y mayor altura alcanzará tras el impacto. Materiales muy dúctiles y tenaces que son capaces de absorber grandes cantidades de energía de impacto pueden incluso resistir el choque sin llegar a romperse; en este caso el valor de la resiliencia queda sin determinar. CÁLCULO DE LA TENACIDAD EN EL PÉNDULO DE CHARPY La energía absorbida en el impacto por la probeta usualmente se calcula como la diferencia de alturas inicial y final del péndulo, esto supone, obviamente despreciar algunas pérdidas por rozamiento. La fórmula de cálculo para la energía de impacto es:

CARACTERISTICAS DE LAS PROBETAS Las probetas pueden ser de formas variables. Estas definen por si mismas tipos de ensayo como el Charpy en U o en V, Izod, DVM, etc. Esto es consecuencia de la fuerte incidencia que la forma de la probeta induce en la energía unitaria absorbida en la fractura. Su variabilidad es determinada por los parámetros siguientes: a) Forma de la entalla que se le practica en el centro de la barreta prismática b) Tipo de apoyo de la probeta en el péndulo, utilizándose:

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Dos apoyos en los extremos, probeta biarticulada; por ejemplo el ensayo Charpy. Empotramiento en un extremo; por ejemplo el ensayo Izod.

INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD DE APLICACION DE LA CARGA Si establecemos la correlación gráfica entre las resiliencias obtenidas con probetas Charpy en V, P1, y la velocidad de aplicación de la carga y a través de la expresión 2.35 calculamos la velocidad de aplicación de la carga empleada en los ensayos 1 a 3. Para los parámetros del péndulo, la expresión toma la fo0rma: vc = [2 x 9.81 x 1 x (1-cos a)]½ Cuyos resultados para los diferentes valores de a se han indicado en la fila vc de la tabla de resultados. La influencia acusada de la velocidad de aplicación de la carga sobre la resiliencia de un material obliga a fijar la velocidad de impacto para que los resultados obtenidos en distintos materiales sean comparables.

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En la norma EN 10045-1 se fija la velocidad entre 5 y 5.5 m/s, correspondiente a una altura de caída libre de 1.27 metros.

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 más 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 especıfica 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 fallar a 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 más compactos de los distintos sistemas cristalinos, lo cual no ocurre en los metales que tienen una estructura cubica centrada en el cuerpo (c.c.c), como el Fe. Estos metales suelen fallar de forma frágil a temperaturas relativamente bajas y tienen un comportamiento dúctil a temperaturas altas.

Este aumento del lımite elástico, junto con la disminución de la velocidad de las dislocaciones a ´ medida que disminuye la temperatura, conducen a fragilizar el material. Para demostrar la existencia de estos dos comportamientos mecánicos diferentes que puede tener el Fe, hemos ´ ensayado dos probetas de Fe con entallas idénticas. Un ensayo se realizó a temperatura ambiente y el otro después de haber sumergido una de las probetas en nitrógeno lıquido. Estas dos temperaturas garantizan que estemos a ambos lados de la temperatura de transición dúctil - frágil del Fe. Es importante que todos los ensayos que se realizaran en este apartado a ´ temperaturas distintas de la temperatura ambiente, se ejecuten de forma rápida para garantizar que la temperatura de las probetas no varie mucho después de los tratamientos. 

Polímeros

Los polímeros son moléculas que están formadas por grupos funcionales (monómeros) que se repiten a lo largo de su estructura, la cual puede ser ramificada o lineal. Esos monómeros se componen básicamente de hidrocarburos (C xHy) y la forma que tienen estas estructuras de disipar la energía absorbida en un impacto es fundamentalmente mediante rotaciones que se producen en torno a determinados enlaces. El modulo elástico de los polímeros puede sufrir variaciones considerables con la temperatura, por lo cual los polímeros también pueden experimentar una transición dúctil - frágil ´ al igual que determinados metales y aleaciones. La temperatura vítrea de cada polímero delimita la frontera entre ambos comportamientos y la misma depende de la composición específica de las cadenas poliméricas. Sin embargo la rotura total del metacrilato ocurre a temperatura ambiente (e) mostrando un comportamiento frágil. Teóricamente para lograr observar un comportamiento dúctil y evitar la fractura de este material es necesario que la temperatura de la probeta este por encima de los 50 ◦C (f) [7], para lo cual se introdujo previamente en un horno en torno a los 150◦C.

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL MATERIALES Y EQUIPOS Péndulo de Impacto Probeta de acuerdo a las medidas en el plano. PROCEDIMIENTO 1.

Adecuar el equipo para empezar nuestro ensayo, preparar las probetas a las temperaturas requeridas para nuestros diferentes resultados de este material.

2. Subir el martillo a la posición más elevada con la palanca en posición. Tenga precaución de realizar esta paso detrás de la línea amarilla del equipo y en frente de la máquina. De esta manera se realiza una prueba en vació sobre el equipo.

3. El péndulo descenderá y en el reloj se podrá observar un ángulo que es imprescindible para hallar la energía absorbida y la resiliencia.

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4. Repita esta prueba muchas veces con los diferentes probetas que tenemos a diferentes temperaturas

5. Es necesario que utilice varias probetas para este ensayo de manera que al final pueda determinar el promedio del material que está ensayando.

RESULTADOS Se ensayaron probetas a las temperaturas mostradas en el siguiente cuadro

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T°C

Angulo

-10

111

-5

43

5

95

17

46

22

96

50

37

125

44

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angulo de caida

Gráfico N°01 de β vs la T

-50

120 100 80 60 40 20 0 0

50

100

150

Temperatura (°C)

CONCLUSIONES La temperatura también juega un papel muy importante en cuanto a los ensayos de impacto, ya que: A mayor temperatura es mayor la energía para romper el material, y con poca temperatura, el material, se fractura con poca energía absorbida. A temperaturas elevadas el material se comporta de manera dúctil con gran deformación y estiramiento antes de romperse. 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.

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