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ENSAYO DE IMPACTO

OBJETIVOS

a) Efectuar un ensayo de impacto con una probeta entallada.b) Comprender el significado y las limitaciones de este tipo de ensayo.

FUNDAMENTO TEORICO

TEORIA SOBRE EL ENSAYO DE IMPACTO

El comportamiento de los metales bajo las fuerzas de impacto encontradas en los ensayos convencionales de impacto con probetas entalladas, no es muy diferente del que se tendría si las fuerzas se aplicaran con lentitud. Por tanto, los resultados no constituyen una base para predecir el comportamiento de los metales, cuando es muy alta la velocidad de la aplicación de la fuerza, por ejemplo en un estallido explosivo o en el impacto de un proyectil .A velocidades muy elevadas en la aplicación de la fuerza, el comportamiento del material es función de sus propiedades mecánicas, físicas (tales como la velocidad de la propagación del sonido) y de sus dimensiones. Las fuerzas de alta velocidad originan ondas de choque que se reflejan desde las superficies internas de los miembros .Si las dimensiones y la forma del miembro son tales que las ondas reflejadas se refuerzan entre sí ,antes de que la las atenúe la fricción interna ,pueden ocurrir fracturas frágiles en materiales que, de otra manera, serían dúctiles .La prueba usual de impacto con probeta entallada, que es el objeto de este experimento, requiere velocidades de impacto de 7 metros por segundo o menos.

CLASES DE ENSAYOS DE IMPACTO

Existen tres clases de ensayos de impacto con probeta entallada: la de viga, la de tensión y la de torsión. La primera es la más común, aunque los resultados no se usan en forma directa para la solución de problemas de diseño. Los ensayos de viga se efectúan de dos maneras: en una de ellas, la muestra se carga en el extremo como viga voladiza o cantiléver y, en la otra, se carga en el centro como una viga simplemente apoyada.

MAQUINAS PARA EL ENSAYOS DE IMPACTO CON PROBETAS ENTALLADAS

Por lo general, se fabrican máquinas para probar tanto vigas voladizas como simplemente apoyadas e incluso, algunas pueden usarse para muestras de tensión. Básicamente, la máquina consiste en un péndulo de oscilación libre, montada en un cojinete, un marco rígido y una prensa de tornillo o yunque para sostener la muestra. La energía del impacto se hace variar cambiando la masa del péndulo, modificando la altura de caída o mediante ambos procedimientos. La energía que absorbe la muestra es la diferencia entre la energía que queda después del impacto y la de entrada en el momento de producirse el impacto. Puesto que las vibraciones pueden absorber

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energía, el péndulo y el sujetador de la muestra se diseñan en tal forma que el péndulo golpee a la muestra en su centro de percusión .El marco y el yunque deben ser también muy rígidos para evitar que absorban energía por deformación. Las pérdidas por fricción no pueden eliminarse totalmente; pero se pueden determinar y hacer las correcciones necesarias, cuando el caso lo requiera. Después de que la muestra se rompe, el péndulo impulsa a una aguja indicadora de poco peso, a lo largo de una escala calibrada para indicar lecturas en J de energía absorbida por la muestra. En la figura 1 se muestra el dibujo de una máquina para ensayos de impacto con probeta entallada.

Figura 1 Esquema de un aparato estándar para la prueba de impacto.

MUESTRAS PARA EL ENSAYO DE IMPACTO CON PROBETA ENTALLADA En la figura 2 se ilustran dos muestras típicas, una Izod (viga en voladizo) y una Charpy (viga de apoyo simple).Las muestras tienen, casi siempre, una entalladura, ya sea en forma de V o bocallave. Esta última consiste en una ranura que se mecaniza y que coincida con un hueco (en su base), cuyo diámetro es ligeramente mayor que el ancho de la ranura. La entalladura estándar en forma de V es muy usada, debido a que se hace con facilidad usando una fresa especial. La profundidad de las entalladuras debe ser mayor de 2.0 mm, si lo que se requiere es detectar diferencias en tenacidad entre materiales muy dúctiles.

La diferencia principal entre los ensayos de Charpy y de Izod radica en la forma en que la muestra se sujeta y se carga. Puesto que la muestra de Izod se carga como una viga voladiza su longitud es algo mayor que la de una muestra de Charpy, y la entalladura es excéntrica, para facilitar su sujeción en el tornillo de banco de la máquina. Ambas muestras se colocan en tal forma que produzcan esfuerzos de tensión en la raíz de la entalladura. La muestra de Izod se sujeta mediante un tornillo de banco; mientras que la de Charpy se coloca simplemente sobre sus soportes.

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Figura 2 Muestras de ensayo Charpy (a) y de Izod (b).

VARIABLES QUE AFECTAN LOS RESULTADOS DE UN ENSAYO DE IMPACTO CON PROBETA ENTALLADA

En los resultados de un ensayo de impacto con probeta entallada influyen 1) el tamaño y la forma de la muestra, 2) la forma y lo pronunciado de la entalladura, y 3) la temperatura del ensayo.

Para la mayoría de los materiales metálicos usados en ingeniería, se han establecido normas bien definidas respecto al tamaño y la forma de la muestra, así como la profundidad y lo pronunciado de la entalladura. Se usan dimensiones y entalladuras que no son estándar en muestras hechas de material cuyas dimensiones de sección son demasiado pequeñas para obtener muestras estándar .Los materiales plásticos tienen una tenacidad tan baja, que es necesario usar muestras muy anchas. La tenacidad de los plásticos se expresa en J/m.

La forma y lo pronunciado de la entalladura influyen en los resultados, como se indica a continuación. Los datos de la tabla I corresponden a muestras de Charpy estándar de acero dulce, que tienen entalladuras de 5 mm y con un radio de 0.67 mm.

TABLA I

Angulo de la entalladura, ᵒ 0 30 60 90 120 150

Tenacidad Charpy, J 30.0 33.1 31.3 35.1 56.7 89.7

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Los datos de la tabla II corresponden a muestras estándar de Charpy de acero con 0.65% de carbono y a una entalladura de 2mm.

TABLA II

Radio de la raíz de la entalladura, mm Agudo 0.17 0.34 0.68

Tenacidad Charpy, J 5.4 9.3 11.2 18.6

Mientras menos profunda y aguda sea la entalladura, mayor será la diferencia entre los resultados obtenidos con materiales tenaces y los de poca tenacidad. No obstante, si la entalladura tiene muy poca profundidad, la muestra no se romperá, por lo que casi siempre, se prefiere la profundidad de 2 mm. Puesto que es difícil fabricar una entalladura perfectamente aguda, se ha adoptado generalmente un radio de 0.25 mm para la mayoría de las pruebas.

El efecto de la entalladura es concentrar esfuerzos en su raíz e introducir patrones de esfuerzos triaxiales que restrinjan el flujo plástico y aumente el límite elástico del material. Cuando se produce una hendidura progresa con rapidez, a través de la sección transversal. Sin la entalladura, las muestras de muchos materiales sencillamente se doblarían, sin tener fractura, y no podría detectarse su capacidad total para absorber energía. La respuesta de los materiales a la presencia de cambios abruptos en su sección transversal, es muy variada. El ensayo de impacto con probetas entalladas constituye una forma apropiada de estudiar esta respuesta, que se conoce como sensibilidad de entalladura de los materiales. La temperatura tiene un efecto muy importante en los resultados de los ensayos de impacto con probeta entallada, en algunas aleaciones, sobre todo en los materiales de composición ferrosa. La resistencia al impacto en probeta entallada de acero de estructura bcc, disminuye, casi siempre, en forma brusca, en el rango de temperaturas atmosféricas .Por ejemplo, un acero típico puede presentar una reducción de tenacidad de 95 J a 14 J, en el rango de temperaturas comprendido entre 27ᵒC y -40ᵒC.De hecho, una de las aplicaciones más importantes de los resultados de los ensayos con probetas entalladas es determinar la viabilidad de los distintos aceros para uso en climas fríos.

APLICACIÓN DE ENSAYOS DE IMPACTO CON PROBETA ENTALLADA

Además de proporcionar datos sobre la tenacidad, la sensibilidad de entalladura de los materiales y los efectos de la temperatura, estas pruebas son útiles también para determinar si una secuencia de proceso dada puede desarrollar el máximo de tenacidad en un material. Esto último es especialmente útil en relación con las aleaciones ferrosas, en las que se puede usar una variedad de ciclos de tratamientos térmicos para lograr un valor determinado de dureza o resistencia elástica. Estos ciclos de tratamientos térmicos pueden tener un efecto variable en la tenacidad; por ejemplo, si se sobrecalienta la aleación antes de enfriarla por inmersión en agua, esto tiende a engrosar el tamaño de los granos de austenita y afectar la tenacidad, aunque no perjudica mucho su dureza. De la misma, manera, algunas temperaturas y procedimientos de templado, que siguen al endurecimiento, pueden ocasionar fragilidad (fragilidad de temple y revenido) y pérdida de

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tenacidad. La dureza de estas piezas indebidamente templadas es satisfactoria; pero no la tenacidad, como lo demuestra el ensayo de impacto con probeta entallada.

ASPECTO DE LA FRACTURA

Las muestras que sufren fracturas, siempre deben examinarse con cuidado. Si su superficie es suave y lisa, ello indicará un tamaño de grano fino, y ductilidad en los aceros, mientras que un aspecto de grano grueso será indicación de fragilidad, falta de tenacidad y, probablemente, un recalentamiento antes del endurecimiento. Con frecuencia se aprecian dos zonas distintas, una suave y lisa, donde se inició la fractura dúctil, y otra de grano grueso, donde se produjo la fractura frágil.

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Materiales y Equipos utilizados

- Máquina Zwick / Roell RKP 450 para ensayo de impacto de hasta 450J.

Figura 3

- Probeta: Acero corrugado a 25°C y temperatura ambiente.

- Probeta: A36 a 10°C y temperatura ambiente.

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Procedimiento

- Se mide la temperatura de la probeta.

- Colocamos de una manera adecuada la probeta en la Máquina Zwick / Roell RKP 450 para

ensayo de impacto.

- Se mide la energía de impacto.

- Observamos el aspecto de la fractura.

Cálculos y resultados

Muestra 1:

A36 a temperatura ambiente: 164J

Figura 4

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Muestra 2:

Acero corrugado a temperatura ambiente: 54J

Figura 5

Muestra 3:

A36 a 10°C: 80J

Figura 6

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Muestra 4:

Acero corrugado a 15°C: 46J

Figura 7

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CONCLUSIONES

Este ensayo permite analizar la variación de Energía absorbida en función de la temperatura de

la probeta.

El ensayo permite determinar cuál es la temperatura en el cual cambia el comportamiento del

material de frágil a dúctil (temperatura de transición).

Se puede observar en la figura 4 y 6 como el A36 tiene un grano grueso en el a 10°C y fino a

temperatura ambiente, por el cual concluimos su comportamiento frágil a 10°C y dúctil a

temperatura ambiente. Podemos decir que su temperatura de transición se encuentra entre

estas temperaturas.

Se puede observar en la figura 5 y 7 como el acero corrugado tiene un grano grueso a 15°C y a

temperatura ambiente, por el cual concluimos su comportamiento frágil en ambos. Podemos

decir que su temperatura de transición no se encuentra entre estas temperaturas si es que

posee una.

RECOMENDACIONES

Deberíamos realizar más pruebas con una misma muestra a diferentes temperaturas para

poder determinar la temperatura de transición con los datos obtenidos.

Realizar el ensayo con probeta de diferente norma comparar los resultados.

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CUESTIONARIO PARA EL INFORME

1) Representar gráficamente los datos siguientes, para un acero ordinario de bajo carbono.

¿Cuál es el rango de temperaturas de transición?

Energía absorbida (J) Temperatura (ºC)

164 90164 80157 70149 60149 50123 4084 2049 5

34 -1034 -2018 -3012 -4013 -5016 -60

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Temperatura (°C)

Ener

gia

Abso

rvid

a (J)

Grafico N°1

La temperatura de transición está en el rango de: 90° - 110°

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2) ¿Por qué es necesaria una entalladura en los ensayos de impacto con probetas metálicas entalladas?

Por la gran dificultad que existe en la evaluación del volumen deformado, es que el trabajo total de deformación no se define como la energía por unidad de volumen como lo hacíamos en tracción estática, sino por la energía requerida para provocar la rotura por unidad de área de la sección transversal entallada.

La energía absorbida por la ruptura se llama resilencia (KCV o KCU), según sea la forma de la entalla, se calcula dividiendo la energía consumida por el material (Ep) en la rotura entre la sección de la probeta por su parte entallada (Ao) y se mide en J/m2.

En la actualidad se tiende a evitar el cálculo de la resiliencia, expresándose los resultados de ensayos simplemente en términos de energía de rotura.

3) ¿Son los resultados del ensayo más sensibles a las variaciones de la entalladura o a las de la velocidad de aplicación de la fuerza? Explicar brevemente la respuesta.

Con una elevada rapidez en la aplicación de la energía a la muestra se reduce la energía absorbida. La configuración de la entalladura también afecta el comportamiento, una grieta en la superficie permite la absorción de menos energía que una muesca en V en el material.Sabiendo esto, deduzco la variación de la entalladura afecta más el experimento, ya que en materiales muy resistentes una pequeña variación en la entalladura sería equivalente a un mayor cambio en la velocidad para reproducir el mismo cambio de energía absorbida.

4) ¿Cuál es efecto general de la temperatura sobre la tenacidad del acero ordinario de bajo carbono?

La capacidad de un material para resistir cargas de impacto, a menudo se conoce como tenacidad del material. Por lo observado en la gráfica 1, al aumentar la temperatura en el acero ordinario de bajo carbono aumenta la Energía absorbida, esto quiere decir que este se vuelve más tenaz mientras aumente la temperatura.

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5) Dibujar el aspecto de la fractura de una de las muestras usadas en los ensayos de impacto con probeta entallada hechas en el laboratorio.

Figura 8

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BIBLIOGRAFIA

Askeland, D. Ciencia e ingeniaría de los materiales. 3ra Edi. International Thompson Editores. EEUU.

Smith, W. Fundamentos de la ciencia e Ingeniería de los materiales. 3ra Edi. McGraw Hill. EEUU.