“AÑO DE LA INTEGRACIÓN NACIONAL Y EL RECONOCIMIENTO DE NUESTRA DIVERSIDAD”

UNIVERSIDAD NACIONAL

TECNOLÓGICA

DEL CONO SUR DE LIMA – UNTECS

PÉNDULO DE IMPACTO

CIENCIAS DE LOS MATERIALES

2012 – II

Villa el Salvador, 21 de diciembre del 2012

I) INTRODUCCION

El conocimiento de la Ciencia de los Materiales es muy importante, ya que ésta proporciona las herramientas necesarias para comprender el comportamiento general de cualquier material, lo cual es necesario a la hora de desarrollar adecuadamente diseños de componentes, sistemas y procesos que sean confiables y económicos. 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 metálicos, mediante la aplicación de las pruebas de impacto de Charpy.

II) OBJETIVOS

Determinar la tenacidad de los materiales por medio de la prueba de impacto.

Conocer e identificar el ensayo tipo Charpy y todo lo que ésta conlleva en cuanto a soportes de probetas, martillos de golpeo, ubicación de las probetas, dimensiones, etc. contemplado en la norma ASTM E-23.

Tener el conocimiento necesario acerca del funcionamiento general de la máquina de pruebas de impacto.

III) FUNDAMENTO TEORICO

Ensayo de impacto: El modo de fallo del ensayo de tracción no nos permite extrapolar los resultados a otras situaciones diferentes para predecir el comportamiento a la fractura, por ejemplo en algunos materiales normalmente dúctiles se fracturaban frágilmente sin tener apenas deformación plástica. El tipo de fallo está condicionado por las condiciones de contorno del material.Para ensayar los materiales en las peores condiciones posibles con respecto a la fractura se crearon los ensayos de impacto. Estas condiciones son:

1. Deformación a temperaturas relativamente bajas.

2. Velocidad de deformación elevada.

3. Estado traxial de tensiones (mediante la presencia entalla mecánica)

Existen dos ensayos de impacto, estos son el ensayo Charpy y el de Izod. Estos dos ensayos han sido normalizados y diseñados para determinar la energía de impacto o tenacidad a la entalla, que se define como la energía absorbida por la superficie entallada cuando se rompe. En ambos ensayos se romperá una superficie entallada de un golpe dado con una masa-péndulo, la diferencia radica en la posición de la probeta entallada.

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.

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.

Algo importante de estos ensayos es que se puede determinar la temperatura de transición frágil-dúctil (su principal ventaja sobre otros ensayos). Esto se consigue realizando el ensayo en iguales condiciones normalizadas, pero a distintas temperaturas. Lo que se hace es calentar o enfriar la probeta antes de realizar el ensayo (la distribución de temperaturas debe ser homogénea en toda la probeta). Se obtienen una serie de curvas características de cada material como las que se muestran en la figura 1.3.

Se observa que existe una dependencia de la energía absorbida con la temperatura.

A altas temperaturas se absorbe gran cantidad de energía, lo que está relacionado con la fractura dúctil. A bajas temperaturas tenemos una menor absorción de energía, lo que está relacionado con la fractura frágil. Hay una influencia importante de la estructura del material en el tipo de fractura. En la mayoría de los casos habrá una transición brusca del comportamiento del material a alta temperatura y a baja temperatura. Existe lo que se denomina intervalo de transición dúctil frágil (típico en materiales de estructura BCC).

Cuando no hay transición pronunciada, referimos la temperatura de transición

dúctil-frágil a la temperatura para la cual el material absorbe 27 [J] de energía, o también a la temperatura para la cual el 50% de la superficie de fractura del material es de fractura dúctil.

Influencias microestructurales:

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.

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 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).

IV) MATERIALES

Péndulo de Impacto. Espécimen de 6 cm de largo 2.77 mm de diámetro (clavo de acero con una

pequeña muesca). Hoja de Sierra metálica.

V) PROCEDIMIENTO

Se consiguió un clavo como espécimen para la prueba. Conseguido el espécimen de 6 cm de largo se le hizo una pequeña muesca con

una hoja de sierra, aproximadamente unos 2 cm de profundidad.

Se colocó el espécimen dentro de péndulo de impacto. Se procedió a soltar el martillo del péndulo de impacto. Se registraron los datos obtenidos de la placa medidora adjunta al péndulo.

Se retiró el espécimen.

VI) CÁLCULO DE LA ENERGÍA DE ABSORCIÓN

Antes de presentar las formulas utilizadas en el momento de efectuar este cálculo, se presentará una figura que facilitará el entendimiento de estas. (Ver Figura No.12).

CALCULANDO LA ENERGÍA

VII) CONCLUSIONES

El ensayo de impacto mediante el péndulo de Charpy nos permitió conocer la energía (112.65 J) que es necesario para poder llevar a la fractura el material de acero que constituye el clavo (espécimen de 2.77mm de diámetro). Con estos datos podríamos inferir una relación entre la estructura interna de los materiales y su comportamiento a la fractura.

VIII) RECOMENDACIONES

Tener cuidado al manipular el martillo del péndulo. Utilizar un mismo material en diversos espesores y temperaturas para poder llegar

a mejores conclusiones.

IX) BIBLIOGRAFÍA

Revista Mexicana de Física Universidad de Chile. Ensayo de Charpy y dureza Máquina de impacto Protocolo, Curso de Materiales.