Ensayo de Charpy

Ciencia e Ingeniería de Materiales

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA Guía de Prácticas del Curso: CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES PRACTICA Nº 11 ENSAYO DE CHARPY INTRODUCCION CUANDO SE MANIPULAN MATERIALES ES MUY IMPORTANTE CONOCER E IDENTIFICAR LAS DIFERENTES CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES MECÁNICAS QUE ÉSTOS POSEEN . EN EL CASO ESPECÍFICO DE ESTA PRÁCTICA, SE ESTUDIARÁN LAS PROPIEDADES COMO LA RESILIENCIA O RESISTENCIA AL IMPACTO QUE TIENEN LOS MATERIALES METÁ LICOS , MEDIANTE LA APLICACIÓN DE LAS PRUEBAS DE IMPACTO CHARPY. DE IGUAL FORMA ESTA PRÁCTICA TAMBIÉN TIENE POR OBJETIVO , DESARROLLAR HABILIDADES PARA LA MANIPULACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS REQUERIDOS EN LA PRÁCTICA .

OBJETIVO PRINCIPAL

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Analizar el comportamiento comportamiento de los los materiales materiales metálicos metálicos al ser ser sometidos sometidos a un esfuerzo de impacto.

OBJETIVOS SECUNDARIOS Determinar la tenacidad de los materiales por medio de la prueba de impacto. 

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Determinar la velocidad en el momento del del Impacto y la altura inicial a la que es llevado el martillo seleccionado. Identificar los comportamientos frágil y dúctil en la fractura de los metales, mediante observación visual. Observar y reconocer reconocer las posibles posibles diferencias diferencias que presentan los diversos diversos materiales en cuanto a ductilidad y fragilidad (en cuanto a su tolerancia a la deformación).

2. RECURSOS

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Perfiles cuadrados de ½”

Péndulo de impacto Martillo

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MARCO TEORICO 2.1 Generalidades de la prueba de impacto (1) “Cuando un material es sujeto a un golpe repentino y violento, en el que la velocidad de deformación es extremadamente rápida, se puede comportar en una forma mucho más frágil que la que se observa en otro tipo de pruebas, por ejemplo en el ensayo de tensión. Esto, se puede observar en muchos plásticos, ya que al estirarlo con mucha lentitud, las moléculas de polímero tienen tiempo de desenredarse o las cadenas de deslizarse entre sí y permitir deformaciones plásticas grandes. Sin embargo, si se aplica una carga de impacto, el tiempo es insuficiente para que esos mecanismos jueguen un papel en el proceso de deformación, y los materiales se rompen en forma frágil, Con frecuencia se usa un ensayo de impacto para evaluar la fragilidad de un material bajo estas condiciones. En contraste con el ensayo de tensión, en el de impacto las tasas de deformación unitaria son mucho mayores”1 . El ensayo de impacto consiste en dejar caer un péndulo pesado,

el cual a su paso golpea una probeta que tiene forma de paralelepípedo, ubicada en unos soportes en la base de la máquina. Se debe dejar caer el péndulo desde un ángulo α = +/ 90º, para que la velocidad del péndulo, en el momento del golpe y en el punto de la nariz de golpeo sea de 4.11 m/s y de esta manera cumpla . Con los requerimientos de la norma que especifica que la velocidad del péndulo en el momento del impacto debe estar entre 3 m/s y 6 m/s. La probeta posee una muesca (entalle) estándar para facilitar el inicio de la fisura. Luego de golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando cierta altura que depende de la cantidad de energía absorbida por la probeta durante el impacto. Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad (baja fragilidad) se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química, lo cual obliga a realizar el ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar y encontrar la “temperatura de transición dúctil-frágil". 2.2 Propiedades de Impacto 2.2.1 Temperatura de transición de dúctil a frágil (2)

Es la temperatura debajo de la cual un material se comporta de forma frágil en un ensayo de impacto. El cambio de dúctil a frágil también depende de la velocidad de deformación. Un material que se somete a un golpe de impacto en servicio debe tener una temperatura de transición menor que la temperatura del entorno. (Ver Figura No. 1)

3. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA MÁQUINA La máquina consta de dos parales paralelos, totalmente perpendiculares a su base fijada en el suelo, estos parales soportan un eje, el cual sostiene al péndulo, que en su parte UCSM

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inferior tiene el martillo, el cual se puede cambiar según la prueba que se vaya a realizar (Charpy-Izod). El martillo tiene un determinado peso y dimensiones que cumplen con la norma ASTM E-23. En la base se encuentra una prensa o soporte de la probeta intercambiable para el ensayo que se vaya a realizar (Charpy-Izod), su fin es sujetar las probetas cuando el péndulo las golpea. (Ver Figura No. 4)

La tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturar. Evalúa la habilidad de un material de soportar un impacto sin fracturarse. Esta propiedad se valora mediante una prueba sencilla en una máquina de ensayos de impacto. Hay dos métodos diferentes para evaluar esta propiedad. Se denominan ensayos de Charpy. La diferencia entre los dos radica en la forma como se posiciona la muestra. La probeta que se utiliza para ambos ensayos es una barra de sección transversal cuadrada dentro de la cual se ha realizado una talla en forma de V. Esta probeta se sostiene mediante mordazas paralelas que se localizan de forma horizontal en el ensayo tipo Charpy. Se lanza un pesado péndulo desde una altura h conocida, este péndulo golpea la muestra al descender y la fractura. Si se conoce la masa del péndulo y la diferencia entre la altura final e inicial, se puede calcular la energía absorbida por la f ractura. El ensayo de impacto genera datos útiles cuantitativos en cuanto a la resistencia del material al impacto. Sin embargo, no proporcionan datos adecuados para el diseño de secciones de materiales que contengan grietas o defectos. Este tipo de datos se obtiene desde la disciplina de la Mecánica de la Fractura, en la cual se realizan estudios teóricos y experimentales de la fractura de materiales estructurales que contienen grietas o defectos preexistentes. Partes principales de la máquina 3.1.1 Estructura La estructura o todo el soporte de la máquina consiste en dos canales de acero que están paralelos entre sí, perpendiculares a la base. La máquina debe ser anclada al piso 15 cm. como especifica la norma. En el momento de realizar el anclaje debe tenerse especial cuidado, para no alterar las condiciones de paralelismo y perpendicularidad, sobre las cuales se diseñó la máquina. Para anclar la estructura al piso se utilizan dos tomillos en cada una de las esquinas. Uno de los tornillos es el de nivelación y el otro es el de anclaje. La estructura se nivela utilizando los tornillos de nivelación, y cuando se encuentra totalmente nivelada, se ajustan en el piso los tornillos de anclaje. 3.1.2 El Péndulo

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Ésta parte de la máquina es la más delicada, pesa aproximadamente 40 lb., y debe ser accionada solamente al liberar el sistema de freno, a través del mecanismo proporcionado para ello. El péndulo al igual que el resto de la máquina cumple con la norma ASTM E23; su diseño debe cumplir con características de: velocidad, centro de percusión y punto de golpeo. 3.1.3 Soportes para las probetas 3.1.3.1 Bloques de Soporte La máquina ha sido diseñada de manera tal que puedan ser realizados dos tipos de ensayo. Para ello se han diseñado dos tipos de soportes, uno tipo Charpy que sostiene utilizando dos puntos de apoyo, uno en cada extremo, y uno tipo Izod que sostiene la probeta en voladizo. Para poder ubicar estos soportes, y por consiguiente las probetas, a la altura adecuada, es necesario utilizar unos bloques que actúan a manera de suplemento, y que permanecerán fijos en la base de la máquina. 3.1.3.2 Soporte para probetas tipo Charpy Para la prueba de impacto tipo Charpy, las mordazas deben sujetar la probeta por cada uno de sus extremos, dejando un canal para el paso del péndulo, que debe tener una distancia de 40 mm según la norma ASTM E- 23. Soporte para pruebas de impacto Izod Para la prueba de impacto tipo Izod, las mordazas deben sujetar la probeta por uno de sus extremos, dejando espacio en voladizo, para que el golpe suceda a 22mm de la muesca según la norma ASTM E-23. 3.1.4 Sistema de Freno La máquina de impacto tiene un sistema de freno parecido al freno de disco de un vehículo, el cual permite en el momento de ser accionado, que el péndulo disminuya su velocidad poco a poco hasta detenerse definitivamente. El área que entra en contacto entre las pastillas de freno y el disco del péndulo, tiene un área aproximada de 12 pulgadas cuadradas a cada lado. El sistema de freno debe ser accionado por la manivela exclusivamente, para esto, es necesario que un segundo operario (que tiene la responsabilidad de frenar la máquina) tenga las dos manos sobre la manivela de freno en el momento de liberar el péndulo. 3.1.5 Martillos de Golpeo Así como cada una de las prueba tiene un sistema de soporte (mordazas), también está normalizada la forma y tamaño de los martillos de golpeo. Por ello, cada una de las pruebas a realizarse en esta máquina tiene su propio martillo de golpeo RECURSOS

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Perfiles cuadrados de ½”

Péndulo de impacto Martillo

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2. METODO DE ENSAYO 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, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas el método Izod y el método Charpy. 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. UCSM

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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 f inal tras el impacto (h') permite medir la energía absorbida en el proceso de f racturar 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. 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 dúctilfrágil". 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 1.1). 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 1.2.

 = . . (ℎ − ℎ´)

(1.1)

Eabc= . . (cos  − cos )

(1.2)

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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.

3. RESILENCIA En materiales sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas, las que pueden aparecer circunstancialmente, su rotura se produce generalmente, al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aun en aquellos metales considerados como dúctiles. Los ensayos de choque determinan 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 obtenerlo 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. PROCEDIMIENTO

1. Conectar y encender el equipo, seleccionar en el modo las condiciones requeridas; masa del martillo, unidades de la energía (joule). Usted observará el siguiente screen.

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2. Subir el martillo a la posición más elevada con la palanca en posición Enlanche (Enlanchada). Presionar el Botón compensate y usted verá que comenzará a parpadear (listo para medir).

3. Llevar la palanca hasta el tope central Release (Soltar). Tenga precaución de realizar esta paso a una distancia de 1m en frente de la máquina y se debe colocar esas mallas de protección. De esta manera se realiza una prueba en vació sobre el equipo.

4. El péndulo descenderá y sólo cuando en la pantalla registre el valor de la energía perdida o compensate, podrá retirar el pin de la posición release y llevar la palanca hasta la posición de Brake (freno). Anote dicho valor.

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5. Cuando el martillo esté totalmente estático, retorne la palanca a la posición de enlanche o inicial, de esta manera se desactivará el freno, al igual inserte el pin en el agujero dispuesto para este. UCSM

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Elevar

Liberar el seguro

Impacto

Para que el péndulo ermanezca en

6. Asegure el martillo en una posición baja por seguridad y con el pasador en aluminio, como se indica en la figura y posteriormente ubique la probeta con la ranura adecuada y utilizando la galga para dicho centraje en los apoyos de la máquina.

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7. Es necesario que utilice varias probetas para este ensayo de manera que al final pueda determinar el promedio del material que está ensayando. No olvide registrar el compensate en cada prueba pues este varía de en relación a las pérdidas por fricción, para lo cual repita los pasos 2 al 7. Entre ensayo y ensayo.

TOMA DE DATOS 

TABLA Nº1 Para llenar la siguiente tabla debemos considerar los siguientes puntos: 

Masa (m): para determinar la masa se debe pesar las probetas antes de la experiencia.

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Energía mostrada por el indicador (Ei). Esta energía se obtiene de la medición que nos da la maquina después del ensayo.

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Energía disipada por fricciones (Ef): esta energía debe ser medida antes de cada ensayo para esto se deja caer libremente el péndulo sin instalar probeta en los apoyos y se anota la energía mostrada por el indicador.

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Energía cinética (Ek): es la energía necesaria para el desplazamiento de las fracciones de probeta luego de la rotura que puede ser calculada: 1

Ek= 2m 2 Donde m es la masa de la probeta y V es la velocidad de las fracciones que se asume igual a la velocidad del péndulo en el momento del impacto (v= 5.6 m/s). 

Energía de destrucción de la probeta(Er):es la energía aproximada usada solo para la destrucción del a probeta :  =  −  − 

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Analisis de resultados Ef Ek Ei Er m ENERGÍA ENERGÍA ENERGÍA ENERGÍA DE MASA DE DISIPADA CINETICA MOSTRADA DESTRUCCION PROBETAS LA POR DE LOS POR EL DE LA PROBETA FRICCIONES TROZOS INDICADOR PROBETA (Kg) (J) (J) (J) (J) Acero hielo 0.06026 1020 Acero horno 0.06347 1020 Acero 0.05991 ambiente 1020 18grados

0.5

0.94

243.3

241.86

0.3

0.995

268.4

267.105

0.4

0.939

258

256.661

Interpretacion de resultados El acero al carbono a diferentes temperaturas tiene distintos comportamientos,Durante el desarrollo de la practica se pudieron observar los diferentes comportamientos de este pudiendose determinar la resiliencia en obtenida del ensato al que se someten los materiales para medir la cantidad de energpia que son capaces de absorber antes de romperse mediante un golpe.

CONCLUSIONES -Probeta a temperatura ambiente: el comportamiento debe estar entre dúctil y frágil. Probeta en caliente:Más dúctil. -Probeta en frió:Es frágil.

7. CUESTIONARIO

1. Cuál es el factor principal que determinamos con el ensayo de charpy y explíquelo 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

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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. 2. Defina el termino impacto El término impacto hace referencia a aquel momento en que un objeto o materia choca de manera violenta y fuerte contra otro objeto o materia. El impacto siempre supone algún tipo de alteración en las características de ese elemento aunque esto puede ser sólo en una porción de tal objeto dependiendo de dónde golpee y dónde se genere el impacto. Esto es así debido a que el golpe generado por el choque o impacto siempre es muy dañino y fuerte. El término impacto puede usarse en sentido concreto pero también como metáfora, como por ejemplo cuando se hace referencia al impacto ambiental. 3. Bajo qué tipo de normas se pueden realizar los ensayos de impacto. Para evitar lesiones y accidentes durante la práctica o daños en la máquina de pruebas de impacto es necesario que los estudiantes tengan en cuenta: •

Respetar las señales de seguridad que están demarcadas alrededor de la máquina. • Cuando la máquina se e stá preparando para cualquier prueba, debe mantenerse puesta la tranca de seguridad, ya que de no ser así, el sistema de freno podría fallar y causar lesiones al operario. • En el momento de soltar el

péndulo, las personas que estén observando la prueba deben alejarse aproximadamente un metro de la máquina para evitar ser golpeados por los fragmentos de las probetas. • Solamente deben ser utilizadas probetas tipo

estándar, según lo especificado en la norma técnica ASTM E-23, de las dimensiones y materiales para los cuales se ha diseñado la máquina. • El sistema de freno debe ser accionado solamente por una persona, que para tal fin debe poner las dos manos sobre la manivela que permite liberar el péndulo de la posición estática. • Al realizar una prueba, esta debe ser definida correctamente, de manera que la máquina sea graduada por el encargado para tal fin. La máquina debe ser provista con los aditamentos adecuados según sea el caso: prueba tipo Charpy o prueba tipo Izod. Los aditamentos son: martillo de golpeo y soportes para las probetas. • En el momento de subir el péndulo a la posición

estática, es necesario que el movimiento sea hecho por una sola persona, preferiblemente por un hombre, pues esta parte de la máquina pesa aproximadamente 40 lb.; debe subirse con una sola mano (derecha), el giro que realiza el brazo de la persona debe ser paralelo al plano de giro del péndulo y en ningún momento se debe ejercer fuerzas por fuera de éste plano, ya que pude ser peligroso y dañino para la máquina. • Al poner el péndulo en la posición estática, es importante fijar la parte giratoria de la base soporte de éste y colocar el pin que casa en uno de los orificios de la base, todo con el propósito de fijar con seguridad el péndulo en su posición cargada (inicial -estática). 4. Cuál es la velocidad de impacto y la altura inicial del martillo. Con los requerimientos de la norma que especifica que la velocidad del péndulo en el momento del impacto debe estar entre 3 m/s y 6 m/s. Desde una altura h.Se debe dejar caer el péndulo desde un ángulo α = +/90º, para que la velocidad del péndulo, en el momento del golpe y en el punto de la nariz de golpeo sea de 4.11 m/s y de esta manera cumpla 5. Describa el tipo de fractura presente en el material y concluya el tipo de fractura presente en el ensayo. UCSM

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La fractura de un material comienza en el lugar donde la concentración de tensión es lo más grande posible, como lo es la punta de una grieta. Supóngase una muestra de forma de placa bajo tensión uniaxial que contiene una grieta en el borde o en su interior. La tensión en la grieta es mayor en la punta de la grieta.

La intensidad de la tensión en la punta de la grieta es dependiente tanto de la tensión Aplicada como de la longitud de la grieta.

6-Cuál es la energía absorbida por cada probeta en el impacto Acero hielo 1020 243.3 J Acero horno 1020

268.4

Acero ambiente 1020 18grados

258

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7-Elabore una ficha técnica con los resultados obtenidos en el ensayo resaltando las características y las propiedades del material que fue sometido al ensayo.

8. BIBLIOGRAFIA

Hibbeler R, Mecánica de Materiales. Tercera Edición. Prentice-Hall Hispanoamericana SA. México D.F., 856 páginas Riley W, Mecánica de Materiales. Primera Edición. Limusa Wiley. Mexico D. F. 708 paginas Mott R. Resistencia de Materiales Aplicada. Tercera Edición. Prectice-Hall Hispanoamericana SA. Mexico D.F., 640 páginas. Norton R, Diseño de Máquinas. Primera Edición. Prentice-Hall Hispanoamericana S.A México D.F., 1048 páginas. http://www.buenastareas.com/ensayos/Ensayo-De-Impacto/497022.html

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