GUÍA 5 IMPACTO

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA. ESCUELA DE INGENIERÍAS. INGENIERÍA INDUSTRIAL.
LABORATORIO CIENCIA DE LOS MATERIALES. ING. EFRÉN GIRALDO T.
PRÁCTICA # 5.ENSAYO DE IMPACTO
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PRÁCTICA # 5.ENSAYO DE IMPACTO
NORMA ASTM
Nota: Parte de este ensayo de tomó en julio del 2009 de
http://www.steeluniversity.org/content/html/spa/default.asp?catid=151&pageid=20812
71949
Una página web muy buena sobre aceros.
Nota importante: por cada grupo en esta práctica los estudiantes deben traer al
laboratorio el día de la práctica una libra de hielo seco.
Este se puede conseguir en:
Calle 45 # 54- 22 Tel: 511 96 86, detrás de la Biblioteca de EPM en la
Alpujarra
I-Materiales, equipos e implementos:
 Materiales:
4 Probetas de acero AISI 1020 para el ensayo Charpy
1 Banda de caucho. Borrador.
Una libra de hielo seco
 Equipo: Máquina para el ensayo Charpy, equipo de acetileno
 Implementos: Pinzas cortas, Mechero, Termocupla, Caja de icopor.
En este laboratorio haremos 2 prácticas:
Práctica 1
1.Ensayo de Impacto Charpy en Metales( Fragilidad en metales)
Practica 2
Fragilidad de los elastómeros o paso de Temperatura de Transición Vítrea.
II- OBJETIVOS
a)Evaluar la energía necesaria para fracturar un acero bajo C a diferentes temperaturas en el
ensayo Charpy.
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b) Determinar la temperatura de transición dúctil-frágil para el acero en cuestión
c)Observar cómo un elastómero cambia dramáticamente sus propiedades al disminuir su T.
Para el segundo objetivo, se necesita ejecutar un gráfico de energía de impacto
Charpy vs. T del ensayo.
2.Específicos

Familiarizarse con el método de medición de la resistencia al impacto Charpy

Medir la resistencia a impacto Charpy en un acero AISI 1020, desde T alta hasta Ts bajo
cero.

Comprender lo que significa la tenacidad y fragilidad de un material.

Observar el efecto de la T sobre la fragilidad de los materiales.
III. METODOLOGÍA
•
Observar cuidadosamente las normas de seguridad.
•
Preparar la máquina Charpy cargando el martillo en la parte superior y adecuando la escala
para el ensayo. La aguja va colocada en la parte inferior.
•
En un recipiente de icopor recubrir una de la probetas con hielo seco y dejarla un tiempo
suficiente hasta que su T esté por los lados de -50ºC.
•
Cargar la probeta en la máquina.
•
Descargar el martillo y medir la resistencia al impacto de la probeta.
•
Hacer lo mismo con las otra probetas pero a diferentes Ts
•
Temperaturas recomendadas(800ºC. 300ºC. T ambiente(25ºC) - -40ºC a -50ºC o menos)
•
Fotografiar cada probeta.
1. TEORÍA
Al contrario de los polímeros amorfos y del vidrio que presentan Temperatura de Transición
Vítrea, los metales no la presentan obviamente porque son cristalinos, pero si pasan, de un
comportamiento dúctil a frágil en un rango de Temperaturas más que a una T
determinada.
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Si un material se somete a un golpe súbito y fuerte la velocidad de deformación puede ser muy
alta, el material se comportará en forma frágil a diferencia de lo que ocurre en tensión normal.
En el ensayo de impacto se evalúa lo frágil que es el material
Lo que pasa: no se da tiempo suficiente a que los mecanismos normales de deformación ocurran
e igualmente no hay tiempo suficiente para que el material absorba en forma normal la energía
repentina suministrada y por tanto se concentran los esfuerzos
enormemente en grietas y
defectos del material.
La tenacidad de una material se entiende como la capacidad que este tiene para absorber
energía en forma súbita o de impacto. El conocimiento de esta propiedad resulta muy útil en la
selección de un material para una aplicación determinada, en la que la tenacidad del material
sea una característica a tener en cuenta en el diseño de la pieza. Es importante anotar que la
temperatura es un factor que afecta fuertemente la tenacidad de un material y es por esto
que resulta vital conocer la temperatura a la que se va a someter el material durante su vida útil,
de manera que se haga una adecuada selección del material a emplear.
La resistencia al impacto Charpy requiere la presencia de una entalla en la probeta, con el fin
de concentrar el esfuerzo en la zona entallada para que se promueva una fractura frágil en vez
de dúctil. Esto equivale a simular defectos en el material.
La probeta se dispone como una viga horizontal simplemente apoyada, para romperla con un
único golpe del martillo pendular en el medio de los apoyos de la muestra y en el lado opuesto a
la entalla.
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El martillo es soltado desde una altura h fija y conocida; debido a la energía potencial que tiene
y que se va transformando en cinética, fractura la probeta que está situada en la parte inferior y
continua su recorrido hacia arriba..
La energía absorbida por la probeta y requerida para producir su
fractura, se determina a través de la diferencia de energía potencial
del péndulo antes y después del impacto.
Por tanto la energía absorbida por el material está relacionada con la altura inicial
h y final h1 del martillo.
Para el ensayo Charpy la energía se puede medir en Kjoules/m2 , joul/m, en libras-pie, o kgspie según el sistema utilizado
1 libra.pie = 1.356 joul.
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Tenacidad de impacto = Capacidad del material para resistir el impacto.
Tenacidad a la fractura = Capacidad del material cuando tiene imperfecciones para resistir una
carga
Probeta para el ensayo Charpy .
La longitud es de 55mm y la muesca central va a 2mm de profundidad y a 45
El tipo de fractura que pueden experimentar los materiales se clasifican en dúctiles o frágiles,
dependiendo de la forma que presenten.
El tipo dúctil tiene alta capacidad de absorber energía en cambio el frágil no. Además los
materiales dúctiles presentan niveles altos de deformación plástica mientras que los frágiles, no.
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Es muy común hacer varios ensayos de impacto de un mismo material a diversas Ts, esto da
como resultado una curva en forma de
s en muchas ocasiones.
Tomado en agosto 3- 2009 de:
http://www.steeluniversity.org/content/html/spa/default.asp?catid=151&pageid=2081271961
Esta es una gráfica que nos muestra que en un ensayo Charpy para un acero determinado el
punto de cambio de comportamiento de frágil a dúctil corresponde a una T= 5ºC y una
energía de 50 Joul , sería mejor decir que el cambio de dúctil a frágil ocurre entre 0ºC y 10ºC.
“Durante el ensayo Charpy, ocurrirá un grado de dispersión de la energía de impacto registrada a
diferentes temperaturas. Esta dispersión puede aproximarse a dos curvas (límites superior e inferior)
y utilizarse para generar el error posible para una determinada energía de impacto”.
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Curvas típicas de un ensayo de impacto variando el % de C. Energía de impacto vs. T
Factores que afectan la fractura:
La velocidad de aplicación de la carga.
La composición del material obviamente.
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La presencia de concentradores de tensiones(defectos internos y externos), lo cual en el
ensayo se logra simulando una falla que se mecaniza como una entalla en la el centro de la
probeta del material.
Así como las diferentes temperaturas a las cuales se hace el ensayo.
Influencia de la temperatura. Transición de comportamiento dúctil a frágil
Todos los anteriores factores que condicionan el tipo de de fractura de los materiales tienen una
gran importancia, no obstante, el efecto de la temperatura es tal vez, entre todos ellos, el más
dramático. Algunas de las catástrofes estructurales más espectaculares ocurridas en el siglo
pasado, están relacionadas con el paso de comportamiento dúctil a frágil de los materiales al
variar la T.
El hundimiento del Titanic en el año 1912 es quizás el caso más famoso de fragilidad de un
material a T baja. El acero utilizado en su construcción contenía azufre y fósforo que como se
sabe hoy en día, fragilizan el acero ( en esa época esto no se conocía).
En la segunda guerra mundial los barcos “Lyberty” se partían literalmente en dos debido a un
mal diseño de las uniones soldadas lo cual llevaba a una gran concentración de tensiones en
esas zonas que unida al factor baja T conllevo a producir los desastres.
Uno no menos espectacular fue el desastre del transbordador espacial Challenger, que falló
debido a un sello de caucho u “O ring” , el cual al disminuir su T se fragilizó.
Practica 2
Fragilidad en elastómeros
Sumergir en el hielo seco una banda de caucho y un borrador flexible y dejar un tiempo
suficiente. Sacar y observar rápidamente lo que ocurrió. Impactar con un martillo el borrador.
Anotar
Preguntas
1. Cuál es el efecto general de la temperatura sobre la tenacidad del material?
2. Si el ensayo midiera el ángulo barrido por el martillo, encuentre una expresión en
función de la masa del martillo del péndulo, la longitud del brazo del péndulo y los
ángulos inicial y final, para calcular la energía de impacto.
3. En base a una curva en forma de S para una acero 1020, halle la T aprox. de
cambio de comportamiento dúctil a frágil.
4. Estimar la energía de impacto tanto en Joules como en pie-libra para las probetas
utilizadas.
5. PROBLEMA
Los siguientes datos fueron obtenidos de una serie de pruebas de impacto en muestras
con muescas para tres clases de hierro fundido maleable que contienen diferentes
cantidades de silicio.
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Temperatura (°C)
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
1% Si
7
8
15
43
47
47
47
47
Energía de
Impacto (J)
2% Si
6
6
6
10
37
38
38
38
9
3% Si
5
5
5
5
8
27
35
35
a) Obtenga la temperatura de transición para cada clase de hierro.
b) Como afecta el silicio a la temperatura de transición?
c) Estimar la energía de impacto tanto en Joules como en pie-libra para cada clase de
hierro en la región de ductilidad.
d) Como afecta el silicio la energía absorbida en el hierro maleable?
2. BIBLIOGRAFÍA

http://www.steeluniversity.org/content/html/spa/default.asp?catid=151&pageid=20
81271949
http://www.smf.mx/rmf/pdf/rmf-e/52_1/52_051.pdf

ASTM D-6110 Standart method for determining the Charpy impact resistance of notched
specimenns of plastics.

AMERICAN SOCIETY OF MATERIALS. Engineered Materials Handbook. Volume 1.
Composites. Ohio: ASM International, 1998. p. 503.

SHAKELFORD. Ciencia e ingeniería de los materiales.
REVISTA MEXICANA DE FÍSICA E 52 (1) 51–57 JUNIO 2006. Prueba de impacto: ensayo Charpy
Departamento de F´ısica de Materiales, Facultad de Ciencias Físicas. Universidad Complutense de
Madrid, 28040, Madrid, España. Recibido el 11 de mayo de 2005; aceptado el 27 de junio de 2005