Post on 21-Feb-2018
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL“FRANCISCO DE MIRANDA”
COMPLEJO ACADÉMICO “EL SABINO”AREA DE TECNOLOGÍA
DEPARTAMENTO DE MECÁNICA Y TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN
CÁTEDRA: LABORATORIO DE CIENCIA DE LOS MATERIALES
PRÁCTICA Nº 6:
ENSAYO DE IMPACTO CHARPY
I.- OBJETIVO GENERAL: Determinar la resistencia (tenacidad) de los
materiales por medio del método Charpy para el ensayo de impacto a fin de
valorar la tenacidad y los efectos de la temperatura en el comportamiento del tipo
de fractura (dúctil o frágil) para un material dado.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
Introducir al estudiante en el uso del péndulo Charpy para el ensayo de
impacto mediante el cálculo de la resistencia (tenacidad) para acero SAE
1010.
Diferenciar el tipo de fractura dúctil o frágil en probetas tipo Charpy de
acero SAE 1010.
Aplicar el concepto de temperatura de transición.
Calcular la resiliencia de los materiales.
II.- INTRODUCCIÓN
Los metales tienen, en general, excelentes propiedades mecánicas. Esto les hace
superiores a otros muchos materiales en cuanto a sus aplicaciones industriales.
Podemos definir las propiedades mecánicas, como la resistencia que oponen los
cuerpos, frente a determinadas acciones exteriores de tipo mecánico.
Los metales reúnen dos condiciones importantísimas:
- La excelente combinación que existe de diversas propiedades que se presentan juntas y en alto grado en muchos de ellos.
- La posibilidad que existe en los cuerpos metálicos de cambiar sus propiedades entre amplios límites, sometiéndolos a tratamientos adecuados.
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UNEFM
Las pruebas de impacto se han creado para estudiar el comportamiento de los
materiales al recibir un golpe.
El propósito de las pruebas de impacto es determinar la energía absorbida por una
muestra hasta ocasionar la fractura. La propiedad relacionada con las pruebas de
impacto es la tenacidad, que se define como la capacidad de un material para
resistir la fractura al someterlo a una carga de impacto. Sin embargo, la resistencia
de un material a la fractura, puede variar ampliamente, dependiendo de la
proporción de la deformación.
Muchas partes y estructuras mecánicas como tornillos, ejes, martillos, yunques y
matrices de forjas, se someten a pruebas de impacto o dinámicas.
Las pruebas de impacto son de tres tipos: torsión, tensión y vigas, según la forma
en que se aplique la carga a la muestra. Las pruebas de impacto de torsión se usan
rara vez y suelen ser para aceros de herramientas. Las pruebas de impacto de
tensión tienen cierto uso. Las pruebas de impacto de viga o brazo son las más
comunes y son de dos clases, Izod y Charpy y difieren en el modo de aplicar la
carga a la muestra.
En la prueba Izod, se aplica la carga a una muestra colocada como viga en
voladizo, soportada por un extremo y en donde se golpea el otro extremo.
En la prueba Charpy, la muestra se carga como una viga con apoyo sencillo o
libre y se golpea en el opuesto a la muesca. En ambas pruebas se utilizan muestras
con una muesca, que luego se fracturan por flexión.
Las pruebas Izod y Charpy han sido estandarizadas para materiales metálicos y
plásticos.
En el desarrollo de ésta práctica se emplearán las pruebas de impacto
“Charpy”que tendrá como objetivo, se describir el comportamiento de los
materiales a proporción rápida de deformación, utilizar correctamente la máquina
de impacto de Charpy, medir la tenacidad ya que ésta es una propiedad mecánica
y determinar la capacidad que poseen los materiales para disipar y absorber
energía producida por el choque.
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III.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS:
Propiedades mecánicas:
- Elasticidad
- Plasticidad: maleabilidad y ductilidad.
- Resistencia a la rotura.
- Tenacidad.
Tenacidad: Se define como la habilidad de un material para absorber energía
sin fracturarse. La unidad de medida que valora este factor es la resiliencia.
Si tenemos en cuenta el concepto anterior podemos asegurar que, como las
deformaciones elásticas suelen ser muy pequeñas en relación con las
deformaciones plásticas:
- Si un metal es poco plástico, su deformación será pequeña y por tanto
absorbe poca energía antes de romperse: es poco tenaz.
- Si un material es muy plástico, la deformación antes de romperse es
grande; absorbe mucha energía: es muy tenaz.
Uno de los métodos más sencillos para medir esta propiedad mecánica, es
utilizando un aparato de ensayo conocido como máquina pendular de impacto.
La resiliencia (Rs) obtenida de este ensayo viene expresada en unidades de
energía (JOULE) dividida entre el área transversal de la probeta expresada en
mm2.
A
ERs = E = Energía gestada (JOULE) para romper la
Probeta
A =Área Transversal
El ensayo de resistencia al impacto expresa una manera de cómo se fractura un
material en función de la temperatura, mostrando además el comportamiento
del material de dúctil a frágil.
Resiliencia: La resiliencia no es en sí una propiedad de los materiales; más
bien es el resultado de un ensayo al que se someten los materiales para medir
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A = 1*a
la cantidad de energía que son capaces de absorber antes de romperse
mediante un golpe. A esta cantidad de energía se denomina resiliencia.
Temperatura de transición: Ensayos de Charpy con probetas tipo A (las usadas
en el laboratorio), a distintas temperaturas, han demostrado que el aumento
progresivo de la misma provoca un aumento de la energía de impacto, hasta
estabilizarse para determinados valores de energía y que la transición en el
comportamiento se produce en un rango de temperaturas, de amplitud variable
con el material de ensayo. Al no existir una única temperatura de transición su
determinación será puramente convencional, variando para un material dado
según las especificaciones utilizadas.
Si se disminuye la temperatura, se aumenta la velocidad de deformación o se hace
una muesca en el material al hacer ensayos en metales CC, puede observarse una
transición de fractura dúctil a frágil. La prueba de impacto en barras con muescas,
puede usarse para determinar el intervalo de temperatura en el cual se observa la
transición. La determinación de la temperatura de transición por medio de esta
prueba está basada en: la transición de absorción de energía, la transición de
ductilidad, el cambio en la apariencia externa de la fractura, la contracción en la
base de la muesca. La curva superior de la figura que se muestra a continuación,
muestra la transición basada en la absorción de energía, la curva media indica una
transición de fractura y la inferior una transición de ductilidad. Es evidente que la
temperatura de transición no tiene un valor exactamente definido, y los ensayos en
un mismo lote de material exhiben una dispersión notable. Generalmente, cuanto
más aguda sea la muesca, mayor es la temperatura de transición.
Para acero y ensayos con probeta tipo V de charpy, la temperatura de transición se
define como aquella a la cual se absorben 10 ó 15 pies- libras de energía (1.383 ó
2.074 kg-m). Cuando se usa el criterio de ductilidad, la temperatura de transición
se define arbitrariamente para un valor de contracción lateral de la muesca igual a
1 %.
En general, el criterio de fractura, da un valor más elevado que los criterios de
ductilidad y energía. La dispersión en los valores obtenidos es de cualquier
manera bastante grande, y depende primordialmente en las condiciones de la
prueba.
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Tipos de fractura:
Fractura Dúctil: Un tipo de fractura que se caracteriza por una propagación lenta
de la fisura. La fractura dúctil sigue por lo general una dirección en zigzag a lo
largo de planos en los cuales se tiene un esfuerzo cortante resuelto máximo. Las
superficies de fractura dúctil tienen, por lo general, una apariencia fibrosa y opaca.
Fractura frágil: Un tipo de fractura que se caracteriza por la nucleación y
propagación rápida de una fisura con poca deformación plástica. En materiales
cristalinos, las superficies de fractura frágiles se identifican por su apariencia
granular y brillante.
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Deformación de los metales: Cuando un material se tensa por debajo de su límite
elástico, la deformación resultante es temporal. Cuando un material se tensa más
allá de su límite elástico, tiene lugar una deformación plástica o permanente, y no
regresará a su forma original por la sola aplicación de una fuerza.
La posibilidad de que un metal sufra deformación plástica es probablemente su
característica más relevante en comparación con otros materiales. Todas las
operaciones de formado, como son troquelado, prensado, hilado, laminado o
rolado, forjado, estirado y extrusión, se relacionan con la deformación plástica de
los metales.
El comportamiento de un metal cuando se deforma plásticamente y el mecanismo
mediante el cual ocurre, son de interés esencial para perfeccionar la operación de
trabajado. La deformación plástica puede tener lugar por deslizamiento, por
maclaje o mediante una combinación de ambos procesos.
Tipos redeformaciones de los metales:
Deformación por deslizamiento: Si el monocristal de un metal es esforzado
tensilmente más allá de su límite elástico, se larga en forma ligera, aparece un
escalón sobre la superficie indicando un desplazamiento relativo de una parte del
cristal con respecto al resto y la elongación se detiene. Al aumentar la carga se
producirá movimiento en otro plano paralelo y dará como resultado otro escalón.
Es como si delgadas secciones vecinas del cristal se hubieran deslizado una sobre
otra como cartas de barajas. El aumento progresivo de la carga, eventualmente
produce fractura del material.
Imperfecciones de los cristales: Existen varias razones por las que la estructura
reticular de un cristal no pueda ser perfecta. Las imperfecciones surgen a menudo
naturalmente, debido a la incapacidad del material que se solidifica para seguir
reproduciendo indefinidamente sin interrupción su celda unitaria; los límites de
grano en los metales son un ejemplo. En otros casos, las imperfecciones se
introducen intencionalmente durante el proceso de manufactura, como es el caso
de la adición de un elemento que ligue con el metal para aumentar su resistencia.
Las diversas imperfecciones en un sólido cristalino son llamados también
defectos. Ambos términos, imperfecciones o defectos, se refieren a desviaciones
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del patrón regular en la estructura reticular de un cristal. Se puede catalogar como
1) defectos puntuales, 2) defectos lineales y 3) defectos superficiales.
Los defectos puntuales son imperfecciones en la estructura del cristal que
involucran ya sea un átomo o varios átomos. Los defectos pueden tomar varias
formas incluyendo: (a)Vacante, el defecto más simple causado por un átomo
faltante dentro de la estructura reticular; (b) vacante de par iónico, también
llamado defecto de Schottky, que consiste en la falta de un par de iones con carga
opuesta en un compuesto que tiene un equilibrio total de carga; (c) intersticio o
intersticidad, una distorsión de la retícula por la presencia de un átomo extra en
la estructura, y (d) desplazamiento iónico, conocido como el defecto de Frenkel,
que ocurre cuando un ión es removido de su posición regular en la estructura de la
retícula y se inserta en una posición intersticial no ocupada normalmente por
dicho ión.
Un defecto lineal es un grupo de defectos puntuales conectados que forman una
línea en la estructura de la retícula. El mas importante defecto lineal es la
dislocación que puede tomar dos formas: a) dislocación de borde y b) dislocación
de tornillo, es una espiral dentro de la estructura reticular que se enrosca alrededor
de una imperfección lineal, de la misma manera que se enrosca un tornillo
alrededor de su eje.
Ambos tipos de dislocación pueden surgir en la estructura cristalina durante la
solidificación (en fundición, por ejemplo), o se pueden iniciar durante un proceso
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de deformación (formado de metal, por ejemplo) ejecutado sobre el material
sólido.
Los defectos superficiales son imperfecciones que se extienden en dos
dimensiones para formar un límite. El ejemplo más obvio de límite es la
superficie externa que define la forma de un objeto cristalino. La superficie es la
interrupción en la estructura reticular, los límites superficiales pueden penetrar
dentro del material. El mejor ejemplo de estas interrupciones superficiales internas
son los límites de grano.
Deformación en cristales metálicos: Cuando un cristal se sujeta a un esferazo
mecánico creciente, su primera reacción consiste en deformarse elásticamente.
Esto se puede atribuir a una inclinación de la estructura reticular sin ningún
cambio de posición entre los átomos que la componen, en la forma descrita en la
figura siguiente (a) y (b). Si la fuerza cesa, la estructura reticular (y por tanto el
cristal) vuelven a su forma original. Si el esfuerzo alcanza un alto valor con
respecto a las fuerzas electroestáticas que mantienen a los átomos en su posición
en la celda, ocurre un cambio permanente llamado deformación plástica.
Lo que ha pasado es que los átomos en la celda se han movido en forma
permanente con respecto a su posición previa, y la retícula ha alcanzado un nuevo
equilibrio, tal como se muestra en la figura (c).
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La deformación de la celda mostrada en la parte (c) es un posible mecanismo
llamado deslizamiento, por el cual puede ocurrir una deformación plástica en una
estructura cristalina; la otra se llama maclaje.
El deslizamiento implica el movimiento relativo de átomos colocados en los lados
opuestos de un plano de la celda llamado plano de deslizamiento. El plano de
deslizamiento, de alguna manera, debe estar alineado con la estructura reticular,
de esta forma existen ciertas direcciones preferentes en las que es más probable
que ocurra el deslizamiento.
El maclaje es una segunda manera en la cual se deforma plásticamente los
cristales. El maclaje se puede definir como el mecanismo de deformación plástica,
mediante el cual los átomos en un lado del plano (llamado plano de maclaje) se
desvían para formar una imagen especular (simétrica) de los átomos al otro lado
del plano.
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El mecanismo es importante en metales HCP (zinc y magnesio, por ejemplo)
porque éstos no se deslizan fácilmente. Otro factor en el maclaje, además de la
estructura, es la velocidad de la deformación. Los mecanismos de deslizamiento
requieren más tiempo que el maclaje, el cual puede ocurrir casi instantáneamente,
de modo que en operaciones de velocidad de deformación es alta, los metales se
deforman más por maclaje que por deslizamiento.
IV.- MATERIALES Y EQUIPOS:
- Máquina de Impacto para ensayo Charpy
- Probetas Charpy estandarizadas de acero al carbono
- Horno eléctrico (mufla) o cocinilla eléctrica
- Hielo seco
- Alcohol
- Agua
- Termómetro o termopar
- Pinzas
V.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:
El ensayo consiste en colocar una probeta con entalladura tipo Charpy entre
las mordazas paralelas de la máquina, luego se procede a dejar caer el péndulo
desde una altura conocida que golpea la muesca, en su desviación
descendente, de esta manera logra fracturarla. Seguidamente se procede a
tomar la lectura directamente de la máquina, correspondiente a la cantidad de
energía absorbida durante el impacto.
- Colocar dos (2) probetas en un envase conteniendo alcohol y hielo
seco durante un tiempo aproximado de 10 a 15 minutos.
- Colocar así mismo dos (2) probetas en un horno eléctrico (mufla) a una
temperatura aproximada a los 300ºC.
- Realizar el ensayo a dos (2) probetas testigos a temperatura ambiente.
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- Realizar el ensayo al resto de las probetas dentro de los parámetros
establecidos.
VI.- PROCEDIMIENTO ESXPERIMENTAL EN DIAGRAMA DE FLUJO:
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INICIO
Colocar la probeta en la máquina de ensayo de impacto
Anotar los resultados
FIN
Probetas, máquina de impacto Charpy
Calibrar la máquina de impacto de Charpy
Lectura de la máquina
X
Distintas probetas para medir el impacto
Nota: Para el día de la práctica deben traer hielo seco y alcohol.
CUESTIONARIO:
1. ¿Que otros factores, aparte de la temperatura, afectan la ductilidad y
fragilidad de los materiales?
2. ¿Cual es la función de la entalladura de la pieza o de la probeta?
BIBLIOGRAFÍA
♦ H.W HAYDEN. Propiedades Mecánicas. Volumen III. Editorial
LIMUSA. 1982.
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♦ AVNER. Introducción a la metalurgia física. Ejemplar 4.
Ing. Celirys Morales
ENSAYO DE IMPACTO CHARPY
NOMBRE: _____________________________________
C.I:_____________________________
SECCIÓN: _______
TABLA DE RESULTADOS EXPERIMENTALES:
Probetas Energía Gestada (Joule)
En Frío
1
2
Promedio
Temperatura Ambiente
1
2
Promedio
Caliente
1
2
Promedio
DISCUSIÓN DE RESULTADOS:
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