ENSAYO DE RESILIENCIA

Ingeniería de materiales
Resiliencia
ENSAYO DE RESILIENCIA
Es común asociar la resistencia de los materiales, a los resultados obtenidos en los ensayos de tracción. Sin embargo,
existen otros ensayos destructivos igualmente importantes, que permiten evaluar la resistencia del material ante: Flexión,
torsión, compresión y al impacto (o resiliencia).
El ensayo Charpy permite calcular cuánta energía logra disipar una probeta al ser golpeada por un péndulo en caída libre
El ensayo arroja valores en unidades de energía (Joules, Kgf-m, Lb-in. Entre otros), y éstos pueden diferir notablemente, en
función de la temperatura
El ensayo de impacto consiste en dejar caer un péndulo pesado, el cual a su paso golpea una probeta que tiene forma
paralelepípeda ubicada en la base de la máquina.
La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la
fisura; este entalle recibe el nombre de V-Notch. Luego de golpear la
probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura que
depende de la cantidad de energía disipada al golpear.
Fractura frágil
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, la estructura
interna y la composición química, lo cual obliga a realizar el ensayo
con probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una
"temperatura de transición dúctil-frágil".
Deformación dúctil
Si este ensayo se lleva a un gráfico (Energía - temperatura) como el mostrado en la Figura, en donde se puede apreciar un
fuerte cambio en la energía disipada para algunos aceros de bajo carbono. Mientras que el níquel no muestra una variación
notable.
En la figura pueden verse los resultados de pruebas de impacto para varios metales y aleaciones, medidos a través de un
intervalo de temperatura
Energía
Metales FCC
Metales BCC de baja
resistencia, aceros
bajo carbono etc.
Aleaciones de alta
resistencia
Los resultados no se comparan de forma directa con los obtenidos por
la integración del área bajo la curva de esfuerzo-deformación por
tensión (la que también nos permite determinar la energía absorbida),
debido a la respuesta variable de los materiales a los efectos de la
muesca. No obstante, los resultados de la prueba son útiles al
comparar, para una composición dada, los efectos de la historia previa
en la tenacidad. De interés particular a este respecto, es el efecto del
tratamiento térmico en las propiedades del acero.
El sobrecalentamiento del acero menoscaba su tenacidad. Esto puede
detectarse con facilidad mediante una prueba de impacto en la barra
con muesca y por examen de la apariencia de la superficie fracturada.
Temperatura
Otra aplicación
Energía pie -lb
importante es el estudio de los efectos de los ciclos de revenido en
280
los aceros endurecidos. Esto puede detectarse con facilidad mediante
una prueba de impacto en la barra con muesca y por examen de la
240
0.01
0.11
apariencia de la superficie fracturada.
200
Otra aplicación importante es el estudio de los efectos de los ciclos de
revenido en los aceros endurecidos. Ciertos ciclos son dañinos a la
tenacidad de algunos aceros. Otra aplicación es la determinación de
las temperaturas de fragilización, en particular para las aleaciones
ferrosas. Muchas composiciones de acero tienden a perder tenacidad
conforme se aproxima a temperaturas más bajas del punto de
congelación. Se ha reportado por ejemplo la fractura espontánea de
vigas en puentes para ferrocarril en Siberia, cuando las temperaturas
han llegado a ser sumamente bajas. La prueba de impacto en barra
con muesca proporciona un medio para determinar los márgenes de
fragilización para composiciones diferentes.
160
0.22
120
0.31
80
0.43
0.53
40
0.67
-300 -200 -100
0 100 200 300 400 500
Temperatura °F
Efecto del contenido de carbono en la resiliencia
Oros
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Para las pruebas de impacto se utilizan probetas con muesca cargados como vigas. Las vigas pueden cargarse en forma
simple (prueba Charpy) o cargarse como cantilevers (prueba Izod). La muesca por lo común es una muesca de forma V
cortada según norma, con un cortador de fresa especial. Se han usado otros tipos de muesca con escasa aceptación.
Las probetas para la prueba de impacto se preparan tal como se ilustra en la siguiente figura (la muesca en V es más fácil de
realizar).
0.25 mm
(0,010”) R
10 mm
(0.394”)
8 mm
(0.315”)
10 mm
(0.394”)
55 mm
(2.165”)
45°
Muesca en V tipo Charpy
2 mm
10 mm
(0.394”
55 mm
(2.165”)
5 mm
2 mm
3 mm
10 mm
(0.394”)
"
1.6 mm
1
6
Corresponde
aproximadamente
al corte de la
segueta.
Muesca ojo de Cerradura tipo Charpy
Fundamento teórico: La determinación de la energía absorbida por el material de la probeta, está sustentada en el
siguiente análisis:
Eabs = Ep1 – Ep2. ...................Ec 1
Donde:
Eabs = Energía absorbida
Ep1 = Energía potencial que posee el péndulo al inicio de la prueba
Ep2 = Energía potencial que posee el péndulo después del impacto
Ep1
l0
Ek1= 0
Ep1= mg
w
µ
Energía al comenzar el
ensayo
β
h1
α
Ep2
h2
Punto de
impacto
Ep0
Oros
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Ep1 = mgh1 = wh1
Ep2 = mgh2 = wh2
.....................Ec 2
....................Ec 3
h1 = l0 + l0 Senβ
...........…..….Ec 4
h1 = l0 (1 + Senβ )
Después del impacto
Para α < 90°
h2 = l 0 − l 0 Cosα
h2 = l 0 (1 − Cosα )
Para α > 90°
.......................Ec 5
h2 = l 0 + [l 0 (Senµ )]
como : Senµ = −Cosα
h2 = l 0 + [l 0 (− Cosα )]
h2 = l0 (1 − Cosα ) .........................Ec 6
Por lo tanto la energía absorbida se puede expresar en función de dos condiciones:
a) Para α < 90°
Sustituyendo las ecuaciones anteriores:
Eabs = w(h1 − h2 ) = w(l 0 (1 + Senβ ) − l 0 (1 − Cosα ))
Eabs = wl 0 (Senβ + Cosα )
b) Para α > 90°
Sustituyendo las ecuaciones anteriores:
Eabs = w(h1 − h2 ) = w(l 0 (1 + Senβ ) − l 0 (1 − Cosα ))
Eabs = wl 0 (Senβ + Cosα )
Ejemplo:Se ensaya repetidamente una probeta hecha de acero AISI 1010, en una máquina de impacto. Determinar
analíticamente la cantidad de energía que absorbe la probeta, y la altura final que alcanzará el péndulo, cuando el ángulo α,
que describe su recorrido, para cada caso, es el que se muestra en la tabla.
Temperatura
Ángulo final
α (grados)
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
39.4372
39.1871
38.9356
38.6828
38.1728
37.6571
37.6571
37.6519
37.6467
37.6467
37.6311
37.5792
37.5532
37.5532
37.5532
Altura final h2
(m)
Energía absorbida por el
material de la probeta
(Joules)
Generar la gráfica de energía
contra temperatura.
Nota: Para fines de este
ejemplo, el peso del péndulo es
de 15 kg, la longitud de su
brazo es de 1.23 m, el ángulo
(al iniciar el ensayo) siempre es
de 45°
Oros