Ingeniería de Materiales - Cucho

Universidad Alas Peruanas20/10/2014

2014

Ingeniería de MaterialesEnsayo de Impacto

PROFESOR:

- ENRIQUE ALEJANDRO CHAMPIN OLIVERA

INTEGRANTES:

- LOPEZ FRANCO, KENNETH- MAMANI FUENTES, CARLOS- MENDOZA HUARANGA, AYRTON- QUILLY HIDALGO, RENATO- SANTOS MEDINA, VERONICA- VELASQUEZ GUERRERO, KARINA

Facultad de Ingeniería y Arquitectura Escuela Profesional de Ingeniería Industrial

INTRODUCCIÓN

Los Ensayos de Materiales están presentes en la mayoría de proyectos de ingeniería, en el

control de tensiones en máquinas y estructuras, en la detección de fallas, en el estudio de las

estructuras de los metales y en el porqué de las causas que provocan la rotura de los

materiales cuando están siendo usados. Se denomina ensayo de materiales a toda prueba

cuyo fin es determinar las propiedades y características mecánicas de un material. Algunas

propiedades evaluadas en estos ensayos son: Elasticidad, Dureza, Embutibilidad, Resiliencia.

Algunas de estas propiedades serian la dureza, la elasticidad, la densidad, entre otras. Una

propiedad importante de tener en cuenta es la tenacidad que es la capacidad con la que un

material puede absorber energía de impacto. El estudio de esta propiedad es muy útil en la

selección de un material para una adecuada aplicación, en la que la tenacidad del material sea

una característica a tener en cuenta en el diseño de la pieza.

Los ensayos en materiales pueden ser de dos tipos:

Ensayos no destructivos

Se denomina ensayo no destructivo a cualquier tipo de prueba practicada a un material que no

altere de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales.

Algunos de estos ensayos son:

Ensayo visual

Ensayo radiológicos

Ensayo por ultrasonido

Ensayo por partículas magnéticas

Ensayo por líquidos penetrantes

Ensayos Destructivos

Algunos de estos ensayos son:

Ensayo de composición

Ensayo de metalografía

Ensayo de impacto

Ensayo de dureza

ENSAYO DE IMPACTO

Una propiedad importante de tener en cuenta es la tenacidad que es la capacidad con la que

un material puede absorber energía de impacto. El estudio de esta propiedad es muy útil en la

selección de un material para una adecuada aplicación, en la que la tenacidad del material sea

una característica a tener en cuenta en el diseño de la pieza.

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Índice

INTRODUCCIÓN.............................................................................................................2

CAPITULO 1. ENSAYO DE IMPACTO...........................................................................4

1.1. Objetivos.............................................................................................................4

1.2. Generalidades de la Prueba de Impacto.............................................................4

1.3. Propiedades de Impacto.....................................................................................5

1.3.1 Temperatura de transición de dúctil a frágil.................................................5

1.3.2 Sensibilidad a la muesca..............................................................................6

1.3.3 Relación con el diagrama esfuerzo deformación.........................................6

1.3.4 Designación de eje del espécimen...............................................................6

1.4. Descripción General de la Maquina....................................................................7

1.5. Partes Principales de la Maquina.......................................................................8

1.5.1. Estructura.....................................................................................................8

1.5.2. El Péndulo....................................................................................................8

CAPITULO 2. ENSAYO DE IMPACTO TIPO CHARPY..................................................9

2.1. Ensayo Charpy...................................................................................................9

2.2. Probetas para el impacto..................................................................................10

2.3. PROCEDIMIENTO............................................................................................11

2.3.1 Ventajas.....................................................................................................14

2.3.2 Desventajas................................................................................................14

CAPITULO 3. ENSAYO DE IMPACTO TIPO IZOD......................................................16

3.1. Ensayo Izod......................................................................................................16

3.2. Ensayo de Resiliencia.......................................................................................16

3.2.1 Objetivos y características fundamentales del ensayo...............................16

3.2.2 Principales parámetros que influyen en el ensayo.....................................16

3.2.3 Tipos más importantes de probetas utilizadas en los ensayos..................16

3.2.4 Proceso operativo del ensayo....................................................................17

BIBLIOGRAFIA.............................................................................................................18

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CAPITULO 1. ENSAYO DE IMPACTO

1.1. Objetivos

Familiarizarse con los criterios de valoración de la resistencia de los

materiales a las cargas de impacto.

Comparación de la conducta de un mismo material, sometido a distintos

tratamientos térmicos, frente a este tipo de ensayo.

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.

Conocer e identificar el ensayo tipo Izod y todo lo que ésta conlleva en

cuanto a soportes de probetas, martillos de golpeo, ubicación de las

probetas, dimensiones, etc.

1.2. Generalidades de la Prueba de Impacto

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.

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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.

1.3. Propiedades de Impacto1.3.1 Temperatura de transición de dúctil a frágil.

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 1)

Figura 1. Gráfico Resistencia al impacto Vs. Temperatura.

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Esta temperatura sirve además como referencia en la selección de materiales, debido

a que asegura que la temperatura más baja a la que el material estará expuesto esté

muy por encima de la temperatura de transición de dúctil a frágil.

1.3.2 Sensibilidad a la muesca

Las muescas que son maquinadas, de fabricación deficiente, o diseñadas, concentran

esfuerzos y reducen la tenacidad de los materiales. La sensibilidad de la muesca mide

su efecto sobre las propiedades de un material, como tenacidad o vida de fatiga. Las

energías absorbidas son muchos menores en las probetas con muesca. (Ver Figura

No. 2)

Figura 2. Propiedades de una muesca en V de Charpy para un acero al carbono BCC y un acero inoxidable FCC.

1.3.3 Relación con el diagrama esfuerzo deformación

La energía necesaria para romper un material durante un ensayo de impacto, no

siempre se relaciona con la resistencia a la tensión. En general, los metales que tienen

alta resistencia y a la vez gran ductilidad, tienen buena tenacidad a la tensión. Sin

embargo, este comportamiento cambia cuando las velocidades de deformación son

altas. Así, dicha velocidad puede desplazar la transición de dúctil a frágil.

1.3.4 Designación de eje del espécimen

La orientación con que se sacan las probetas de los lingotes de las laminaciones de

acero, permite que esta adquiera mayor o menor resistencia ante la fractura por

impacto. Se puede ver como el corte de la muesca y su orientación (el plano) coincide

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paralela o perpendicularmente al eje de flujo de las fibras naturales (de laminación) del

espécimen. (Ver Figura 3)

Figura 3. Designación del eje de la Probeta.

La orientación de la muesca se designa por la dirección en que la fractura se propaga;

como se puede ver en la figura, cuando el plano de la muesca es diagonal a la

dirección de las fibras del espécimen, es decir sobre el plano xy-z de la laminación, el

espécimen puede tener mayor resistencia al impacto, que el que podría tener el

espécimen cortado en la dirección yz-x, el cual tendría una menor resistencia al

impacto y por lo tanto se fracturaría más fácilmente, y por último el espécimen cuyo

plano de muesca esta en dirección x-yz presentaría el mayor grado de resistencia a la

fractura, ya que la orientación de la muesca está en un plano transversal a la dirección

de las fibras del espécimen.

1.4. Descripción General de la Maquina

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 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)

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Figura 4. Máquina de impacto.

1.5. Partes Principales de la Maquina

1.5.1. Estructura

La estructura o todo el soporte de la máquina consisten 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.

1.5.2. El Péndulo

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 E-23; su diseño debe cumplir con características de: velocidad, centro de

percusión y punto de golpeo.

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CAPITULO 2. ENSAYO DE IMPACTO TIPO CHARPY2.1. Ensayo Charpy.

El nombre de este ensayo se debe a su creador Albert Charpy, este ensayo consiste en

golpear mediante una masa una probeta que se sitúa en el soporte S (figura 1). La

masa M, la cual se encuentra acoplada al extremo del péndulo de longitud L, se deja

caer desde una altura H, mediante la cual se controla la velocidad de aplicación de la

carga en el momento del impacto. (Ver Figura 5.)

a) Antes del impacto b) Después del impacto

Figura 5. Péndulo de Charpy a) antes del impacto y b) después del impacto

Existen de acuerdo a Charpy dos tipos de prueba de impacto:

Prueba de impacto con flexión.

Prueba de impacto con flexión y muesca.

Ambas pruebas pueden realizarse con o sin con instrumentos o sin ellos, es decir con

una computadora que mide los diferentes parámetros implicados en la prueba.

Otras pruebas de impacto no incluidas en Charpy incluyen

Prueba a la caída

Pruebas de impacto a altas velocidades

La tenacidad al impacto se mide en kJ/m2

Debido a las características termoplásticas de los polímeros, las pruebas de impacto

requieren cierta velocidad en su actuación, las velocidades lentas producen más bien

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Centro c

Soporte S

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Probeta

Masa

Brazo L


movimientos de deformación plástica o creep, permitiendo a los segmentos de las

macromoléculas la relajación de esfuerzos, las velocidades para impacto incluyen el

rango de 10−1 - 100 s−1.

Para el Ensayo de Charpy se necesita una máquina de ensayo. (Ver Figura 6.)

Figura 6. Maquina de ensayo moderna

2.2. Probetas para el impacto

Cuando se realizan ensayos de impacto con aceros de alto y mediano contenido de

carbono se pueden usar probetas sin ranuras debido a que son frágiles.

Para lograr que se fracturen las probetas se recomienda que se ranuren en la forma

siguiente:

Con entalladuras de forma de “v” que se usa para probetas de materiales

fibrosos, dúctiles y algunos materiales frágiles. (Ver Figura 7.)

Figura 7. Probeta con muesa o entalladuras en “v”

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La entalladura en forma de “u” se usa en materiales considerados de dureza

medio o mayor. (Ver Figura 8.)

Figura 8. Probeta con muesca o entalladura en “u”

La entalladura en forma de ojo de cerradura se efectúa en materiales sintéticos

como plásticos, acrílicos, (materiales polímeros). (Ver Figura 9.)

Figura 9. Probeta con muesca o entalladura en forma de ojo.

NOTA: Se emplean las de entalladuras más profundas y de menor ancho para los metales más

dúctiles.

2.3. PROCEDIMIENTO

Para realizar el ensayo de impacto en barras ranuradas se procede así:

1) Se pesan las probetas

2) Luego, sin instalar probeta alguna se eleva el péndulo y se engatilla, para ser

liberado luego. Se deja que el péndulo realice unos cuantos vaivenes (3) y se

detiene. La energía gastada en este proceso se anota. (Ver Figura 10.)

Figura 10. Máquina de ensayo en actividad.

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3) Se instala la probeta en los apoyos, para esto las mordazas deben de sujetar la

probeta por cada uno de sus extremos, dejando un canal para el paso del

péndulo, que debe tener una distancia de 40mm según la norma ASTM E-23. se

engatilla y suelta el péndulo, produciéndose la rotura de la probeta, luego de

detenido se anota la energía aplicada en el proceso.

4) Se calcula la energía cinética, aplicada a las fracciones de probeta. Se realiza el

cálculo de la energía invertida en la rotura de la probeta.

5) Se repiten los pasos (3) y (4) para las otras probetas. (Ver Figura 11.)

Figura 11. Probeta siendo rota por el martillo de Charpy

La energía absorbida Ea por la probeta, para producir su fractura, se determina a través

de la diferencia de energía potencial del péndulo antes y después del impacto. Una vez

que se conoce el ángulo inicial de aplicación de la carga (α) y el ángulo final (β) al que

se eleva el péndulo después de la rotura completa de la probeta, se puede calcular la

energía Ea mediante la siguiente expresión:

Los modos de fractura que pueden experimentar los materiales se clasifican en dúctiles

y frágiles, esto depende de la capacidad que tienen de absorber energía durante este

proceso. La prueba de impacto Charpy se realiza según las normas internacionales en

las cuales se detallan las dimensiones de las probetas empleadas en este tipo de

ensayo, así como la forma de reportar los resultados de los mismos. Según la norma

ISO, los resultados de los ensayos de impacto, en probetas entalladas, se suelen

expresar en (KJ/ m2), para lo cual se divide la energía absorbida para provocar la

fractura de la probeta entre la sección transversal de la misma en la zona de la

entallada (h x bx).

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El valor obtenido en el ensayo nos sirve de referencia válida para prever el

comportamiento de los materiales frente a cargas dinámicas (variables) y valorar si un

material concreto será adecuado en una determinada situación, si bien, a diferencia de

otras características determinadas mediante ensayos, como por ejemplo el ensayo de

tracción, el valor de la resiliencia no tiene utilidad en los cálculos de diseño

La información que se obtiene en este ensayo es la curva Fuerza vs Tiempo y los

resultados del ensayo son:

Fuerza máxima (Newton)

Energía del impacto (Julios)

Velocidad de impacto ( m/s)

Energía absorbida (julios)

Angulo inicial (grados)

Angulo final (grados)

Un ejemplo de los resultados de una serie de pruebas de choque realizadas a diversas

temperaturas se muestra en la siguiente figura

A temperaturas altas, se requiere una gran absorción de energía para que se rompa la

probeta, y se fractura con poca energía absorbida, a temperaturas bajas. A

temperaturas elevadas el material se comporta de manera dúctil, con gran deformación

y estiramiento de la probeta antes de fracturarse. 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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Un material que vaya a estar sometido a impacto durante su funcionamiento debe tener

una temperatura de transición inferior a la temperatura circundante. Por ejemplo, la

temperatura de transición del acero utilizado para un martillo de carpintero debe ser

menor que la temperatura ambiente par a evitar el desportilla miento de la herramienta.

La energía de impacto corresponde al área delimitada por la curva esfuerzo real-

deformación real. Los materiales que presentan alta resistencia y alta ductilidad, tienen

una tenacidad adecuada. Los cerámicos tienen escasa tenacidad debido a que son

quebradizos y virtualmente no presentan ductilidad. La energía absorbida y la

temperatura de transición son muy sensibles a las condiciones de carga. Por ejemplo,

una mayor rapidez de aplicación de la energía de impacto a la muestra reducirá la

energía absorbida e incrementará la temperatura de transición Debido a que

frecuentemente no es posible predecir o controlar todas estas condiciones en los

materiales, el ensayo de impacto se utiliza mejor para la comparación y selección de los

materiales, que para obtener criterios de diseño.

2.3.1 Ventajas

El procedimiento Charpy tiene una amplia gama de aplicación y es el más

adecuado para el ensayo de materiales que presentan rotura por cizallamiento

interlaminar o efectos de superficie. Además, el método Charpy ofrece ventajas

en los ensayos con temperaturas bajas, ya que los asientos de la probeta se

encuentran más alejados de la entalladura, evitando así una rápida transmisión

de calor a las partes críticas de la probeta.

Algo importante de este ensayo 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)

2.3.2 Desventajas

Los especímenes pequeños y gruesos usados no representan

adecuadamente los componentes de ingeniería típicos.

Como limitaciones tenemos que sólo obtendremos datos cuantitativos que

únicamente serán útil esa efectos comparativos (no para el cálculo de piezas o

estructuras); que están determinados en materiales sin defectos (ya que

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los materiales de prueba no presentan en general discontinuidad es internas);

que los datos son poco representativos de las condiciones de servicio reales, ya

que:

o El tamaño de la probeta es independiente del espesor real del material.

Siempre se emplea una carga de ensayo por impacto, con independencia de que

la estructura en servicio esté sometida a cargas estáticas o dinámicas.

La energía absorbida es igual a la total más la energía de propagación de la

grieta.

El ensayo de impacto permite cuantificar la tenacidad de un material, pero no

obtenemos resultados aplicables cuando lo que necesitamos es diseñar piezas

estructurales. Para esto se ha creado toda una rama de la ciencia de los

materiales, que se llama mecánica de fractura.

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CAPITULO 3. ENSAYO DE IMPACTO TIPO IZOD

3.1. Ensayo Izod

El ensayo Izod es un tipo de ensayo destructivo dinámico resistente al choque que

utiliza un péndulo de Charpy como herramienta.

Este procedimiento se lleva a cabo para averiguar la tenacidad de un material, ya que al

realizarlo obtenemos su resiliencia

3.2. Ensayo de Resiliencia3.2.1 Objetivos y características fundamentales del ensayo.

Se empezó a hacer este ensayo porque se observó que materiales que aguantaban

bien en el laboratorio, no lo hacían luego en el uso real. Esto es porque en servicio, los

materiales no están sometidos solo a un tipo de carga, sino a varias simultáneas. Las

cargas hacen que dentro del material aparezcan tensiones. El principal objetivo del

ensayo es evaluar la resistencia del material frente a impactos. También sirve para

poner de manifiesto la sensibilidad de los metales a las entallas. En el choque, en las

proximidades de la entalla se obtiene una concentración máxima de tensiones, que

originan triaxialidad. La entalla en la probeta supone, pues, una mayor exigencia al

material, siendo indispensable allí donde además de la tenacidad, se requiere una

elevada resistencia a la rotura frágil.

El ensayo de impacto consiste en dejar caer un pesado péndulo, el cual a su paso

golpea una probeta que tiene forma paralelepípedo ubicada en la base de la máquina.

La probeta rompe de un solo golpe.

Luego de golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura

que depende de la cantidad de energía disipada al golpear.

3.2.2Principales parámetros que influyen en el ensayo.

El resultado que arroja, expresado en Jouls, varía en gran medida de la temperatura y

de la velocidad. A menor temperatura y mayor velocidad, la rotura se produce antes.

3.2.3Tipos más importantes de probetas utilizadas en los ensayos.

Las probetas utilizadas son diferentes dependiendo del tipo de ensayo, y en cualquier

caso están normalizadas.

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En el Charpy la probeta es de sección cuadrada, de dimensiones 55x10x10 mm. Tiene

una entalla en una de sus caras de 2 mm de profundidad. El espesor de material para

rotura es de 8 mm entonces.

En el Izod, la probeta tiene tres entallas, una en cada cara. Las entallas están

separadas entre si 28 mm, y 22 mm del borde de la probeta.

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 dúctil-frágil.

Figura 12. Resultados de ensayo izod

3.2.4Proceso operativo del ensayo.

Las probetas se colocan empotradas por un extremo y el golpe lo recibe la cara

entallada a una distancia de ésta de 22 mm. La entalla tiene que quedar enrasada con

el borde de la mordaza de sujeción. Con una probeta se hacen tres ensayos sucesivos

y se toma el promedio de ellos.

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BIBLIOGRAFIA

http://es.slideshare.net/martinperezjimenez5/prueba-de-impacto

http://www.utp.edu.co/~gcalle/Contenidos/Impacto.htm

https://es.scribd.com/doc/36859142/ Ensayo - Charpy

http://es.wikipedia.org/wiki/Ensayo_de_Izod

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http://es.wikipedia.org/wiki/Ensayo_de_Izod

https://es.scribd.com/doc/36859142/Ensayo-Charpy

http://www.utp.edu.co/~gcalle/Contenidos/Impacto.htm

http://es.slideshare.net/martinperezjimenez5/prueba-de-impacto

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