CIENCIA DE LOS MATERIALES

Ciencia de los materiales. Guía 2 1
CIENCIA DE LOS
MATERIALES
Ciencia de los materiales. Guía 2
Tema:
EFECTO
DE
LA
RESISTENCIA
AL
IMPACTO
METÁLICOS
1
TEMPERATURA
EN
LA
EN
LOS
MATERIALES
Contenidos
Resistencia al impacto a diferentes temperaturas
Objetivos
Específico
Al finalizar la práctica, el estudiante será capaz de:
• Determinar experimentalmente la energía absorbida por cargas de
impacto en materiales metálicos a través de la realización del ensayo
de impacto tipo Charpy.
• Comparar la absorción de energía de impacto de diferentes materiales
metálicos para igual condición de temperatura.
• Por medio de una gráfica temperatura versus energía de impacto,
estimar la temperatura a la cual el material cambia de un
comportamiento frágil a dúctil.
• Explicar las condiciones en las que es importante que un material
absorba una gran cantidad de energía de impacto antes de fallar.
Materiales y Equipo
Item
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
cantidad
3
3
3
3
3
3
1
1
2
1
Designación (materiales por práctica)
Probetas de aluminio AISI de 10x10x60 mm con muesca a 45º
Probetas de acero AISI 1020 de 10x10x60 mm con muesca a 45º
Probetas de acero AISI 1045 de 10x10x60 mm con muesca a 45º
Probetas de bronce de 10x10x60 mm con muesca a 45º
Probetas de material polimérico de 10x10x60 mm, sin muescas
Probetas de cerámica de 10x10x60 mm, sin muescas
Horno para el calentamiento de las probetas a ensayar
Máquina para ensayo Charpy
Tenaza de mecánico
Tabla de colores para tratamiento térmico de ABASTEINSA
Marco Teórico
A menudo el ingeniero se ve en la necesidad de diseñar o sustituir
componentes de máquinas sometidos a cargas repentinas, requiriendo que
soporten estas condiciones sin fallar. La cuantificación de esta propiedad
junto con otras como: resistencia a la cedencia, resistencia a la tensión,
módulo de elasticidad, módulo de tenacidad y de resiliencia, ductilidad,
etc. son datos que se requieren a la hora de seleccionar (o procesar) un
Ciencia de los materiales. Guía 2
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material a ser empleado para la fabricación de piezas que serán sometidas a
diferentes condiciones de carga al estar en servicio.
Las propiedades mecánicas antes mencionadas frecuentemente se encuentran
en las cartas técnicas de cada material y éstas corresponden a ensayos
realizados en condiciones ideales que precisamente no reflejan las
condiciones de servicio variables a las que un material se verá sometido
como cambios de temperatura, carga mecánica, ambiente corrosivo, desgaste,
etc.; pues bien, la mayoría de los datos de las propiedades son obtenidos
por medio de ensayos de tensión, de dureza, de termo-fluencia, de impacto,
por mencionar algunos. Como los ensayos miden propiedades y características
de un mismo material, la información obtenida de varios de ellos
generalmente es complementaria.
En cuanto a las cargas de impacto, existen varios ensayos que permite
cuantificar tal propiedad, uno de ellos es el ensayo Charpy, y es catalogado
como ensayo mecánico de tipo dinámico el cual consiste en golpear una
muestra del material de interés con un péndulo pesado, que se suelta desde
una altura h0 y describe una trayectoria circular, hasta romper la probeta
hecha del material a ensayar y de dimensiones estándar (ver Fig. 2),
quedando el péndulo a una altura final hf. En la figura 1 se presenta
esquemáticamente el ensayo a realizar.
Figura 1 Ensayo de impacto tipo Charpy.
El principio de funcionamiento de este ensayo se basa en la física
clásica de conservación de la energía pues, sí se conoce la altura inicial
h0 y la final hf entre otras propiedades físicas inherentes al péndulo, es
fácil calcular la energía potencial para cada estado. La diferencia entre
ambas es la energía de impacto absorbida por la probeta (muestra del
material de interés). La energía se mide de N-m [Joules] o lb-pie.
Si este ensayo se repite con el material a diferentes temperatura al
final se obtendría una curva como la que se observa en la figura 3 la cual
representa el punto (intercepto entre línea continua y punteada) en el cual
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el material presenta un cambio de comportamiento. El punto en cual se da
tal cambio de denomina punto de transición dúctil - frágil.
Figura 3a Curva de ensayo Charpy para
diferentes temperaturas.
Figura 3b Resultado de ensayo Charpy
para materiales bcc (cc) y fcc (ccc)
Pues bien, la energía absorbida por la probeta ensayada se puede expresar
matemáticamente como sigue:
E ab = E1 − E 2
Donde:
E ab = Energía absorbida por la probeta.
E1 = mgho = Energía potencial disponible en el punto inicial.
E 2 = mgh f = Energía potencial final.
Donde m es la masa del martillo y g la aceleración gravitatoria local.
Estas ecuaciones serán utilizadas para verificar los resultados de
ensayo a realizar en esta práctica (ensayo de Charpy).
Procedimiento
Nota: Guarde estrictamente las medidas de seguridad en manejo del péndulo.
Alumnos que exhiban conducta inapropiada serán invitados a salir del
laboratorio y perderán su nota de laboratorio.
En la presencia de su instructor, proceda a realizar lo siguiente:
(Ensayo a temperatura ambiente)
1. Abra la reja protectora.
2. Proceda a inspeccionar el funcionamiento de la máquina. Verifique el
sistema de seguridad contra caídas accidentales y coloque el péndulo
en su posición de inicio (ver fig. 1)
3. Cierre la reja protectora y haga pruebas en vacío (sin probeta)
compruebe el funcionamiento del sistema de seguridad y de frenado del
péndulo.
4. Seleccione la pieza a ensayar (según lista de materiales) y colóquela
en el lugar que le indique su instructor, centrada y con la muesca
opuesta al lado opuesto al punto donde golpea el martillo del péndulo.
5. Cierre la puerta de la reja protectora.
6. Ubique el indicador de la energía absorbida (regla graduada en “J”) y
desplácelo hacia abajo (cero Joules).
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7. Accione la palanca para que el péndulo caiga libremente.
8. Después de que el péndulo golpee la probeta frénelo magnéticamente
hasta detenerlo en su punto de equilibrio estable.
9. Tome la lectura del indicador y anote el resultado en su guía de
laboratorio.
10. Con los valores promedio de energía de impacto, haga una gráfica de
temperatura versus energía absorbida para cada material ensayado.
11. Con base en los resultados, responda las siguientes preguntas:
¿Cuál es el comportamiento de los acero
en el ensayo Charpy para
diferentes temperaturas?
¿Qué material (de los ensayados) recomendaría para trabajar en lugares
donde se esperan cargas de impactos a baja temperatura?
¿Qué material recomendaría para trabajo donde se esperan impactos
sobre el material a alta temperatura?
¿Por qué la probeta tiene una muesca en uno de sus lados?
Repita este procedimiento para todas las probetas, dos a temperatura
ambiente, dos a baja temperatura y dos a alta temperatura (unos 200º C).
Análisis de resultados
Con los datos obtenidos en cada ensayo, proceda a llenar una tabla
indicando también la temperatura a la que se realizó cada uno y colocando
las observaciones al respecto de cada ensayo.
Material
Energía
absorbida
temperatura
Energía
absorbida
Temperatura
Energía
absorbida
Temperatura
Tarea Complementaria
Investigue y presente en el mismo informe (resumen, no página web completas)
información sobre el comportamiento ante impactos a diferentes temperaturas
de los materiales utilizados en la práctica. Compare los resultados
obtenidos con la investigación efectuada y escriba sus conclusiones.
Bibliografía
1) Avner,
S.
(1988)
Metalurgia
Física,
México
D.F.
McGraw-Hill.
2ª
edición
2) Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de
materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición
3) Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los
materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición.
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5
4) Neely, J. E., Kibbe, R.R. y García Diaz, R. (1992) Materiales y
Procesos de Manufactura.
México D. F. Limusa.
5) www.steel.org/
6) www.sae.org/
7) www.astm.org/
8) www.matweb.com/
9) http://asminternational.org
Rúbricas para este laboratorio
Aspecto a evaluar:
Puntaje
obtenido/Puntaje
máximo
Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la
investigación, Nombre del tema, Nombres de los autores, fecha
de entrega. Todas las partes deberán ser legibles
Requisito
Objetivos y Procedimiento abreviado
Requisito
Examen previo (individual)
30
Mediciones efectuadas y Tablas de datos
Requisito
Cálculos efectuados correctamente
Requisito
Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web y otros (al
menos en 3 sitios confiables)
10
Cuestionario contestado correctamente
10
Gráficas solicitadas
10
Discusión y conclusiones: Comparación de los resultados
experimentales con lo reportado en libros o sitios confiables
(éstos se tomarán como los valores teóricos), indicar si se
lograron los objetivos o no y porqué. Si fuera insuficiente la
información para hacer las comparaciones, indicar las fuentes
consultadas, a fin de que la nota no sea afectada.
35
Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo
Requisito
La ortografía debe ser impecable. La redacción debe ser clara y
concisa.
5
No lleva gabacha (individual)
-
10
Cálculos erróneos
-
10
No lleva guía de laboratorio (individual)
-
10
No colabora o se comporta indebidamente (individual)
-
10
TOTAL
100
Comentarios
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El informe se entregará una semana después del laboratorio, ejemplo: si el
laboratorio se efectúa el lunes, a mas tardar el lunes siguiente se
entregará al responsable del laboratorio. Entrega tardía: 10 % menos cada
día. Si no cumple con los requisitos se devolverá el informe, con la
condición de regresarlo el día siguiente, descontándosele 10 % por no
cumplir con los requisitos y por cada día de retraso se descontará 10 %
adicional.
El alumno deberá respetar la normas de seguridad del laboratorio, si hay
violación a estas normas, el instructor podrá expulsar de la sesión al
infractor, conllevando a la perdida de la nota de esa sesión, sin
posibilidad de solicitarla diferida.