Ensayo de impacto

UNIVERSIDAD DE LA COSTADEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICASÁREA DE RESISTENCIA DE MATERIALES

FACULTAD DE INGENIERÍA

ENSAYO DE IMPACTO

Alejandra Chimá1, Eliana Núñez1, Luis Rangel1, JayethRivera1, Marysol Ruiz1

Silvia Romero1 (Grupo CD) Grupo: DD - 04-09-20151 Ingeniería Civil

Laboratorio – Resistencia de materialesCorporación Universitaria de la Costa, Barranquilla Colombia

RESUMEN

Los ensayos dinámicos son realizados para el estudio de lacapacidad de resistencia de los materiales a las cargas deimpacto (tenacidad) y determinar qué tan frágil pueden ser.Entre los ensayos de estas características el más conocidoy estandarizado es el charpy. El ensayo de impacto consisteen dejar caer un péndulo pesado, el cual a su paso golpeauna probeta que tiene forma de paralelepípedo, ubicada enunos soportes en la base de la máquina.

Se debe dejar caer el péndulo desde unángulo, necesarios para alcanzar la velocidad sea larequerida en el momento del golpe. La probeta posee unamuesca (entalle) estándar para facilitar el inicio de lafisura. Luego de golpear la probeta, el péndulo sigue sucamino alcanzando cierta altura que depende de la cantidadde energía absorbida por la probeta durante el impacto. Lasprobetas que fallan en forma frágil se rompen en dosmitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad (bajafragilidad) se doblan sin romperse. Este comportamiento esmuy dependiente de la temperatura, por lo que se analizarála influencia de la misma y el tipo de muesca en laenergía.

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Palabras clavesTenacidad, probetas, energía de impacto, máquina de péndulode charpy, muesca, resiliencia, temperatura.

ABSTRACT

The dynamic tests are performed to study the resilience ofthe materials to impact loads (toughness) and determine howfragile they can be. Among the trials of these the bestknown and standardized features is the Charpy. The impacttest consists of dropping a heavy pendulum, which in stephits a probe that has cuboid, located on supports at thebase of the machine.Should drop the pendulum from an angle necessary to achievethe required speed is at the time of the coup. The probehas a notch (notch) standard to facilitate the start of thecrack. After striking the specimen, the pendulum moves onreaching a certain height that depends on the amount ofenergy absorbed by the specimen during the impact.

The specimens fail in a brittle breaking into two halves,whereas those with higher ductility (low brittleness) bendwithout breaking. This behavior is very temperaturedependent, so the influence of the same and type of notchpower is analyzed.

Keywords

Toughness, specimens, impact energy, Charpy impact testmachine, notched, resilience, temperature.

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1. INTRODUCCIÓN

Comprender elcomportamiento general decualquier material, esnecesario a la hora dedesarrollar adecuadamentediseños de componentes,sistemas y procesos quesean confiables yeconómicos. Los ensayos deimpacto son realizados paravalorar la capacidad deresistencia de losmateriales metálicos a lascargas de impacto(tenacidad) y determinar sutendencia a la destrucciónfrágil. Los péndulos deimpacto clásicos determinanla energía absorbida en elimpacto por una probetaestandarizada, midiendo laaltura de elevación delmartillo del péndulo trasel impacto. Los materialeso elementos sometidos aefectos exterioresinstantáneos o variacionesbruscas de las cargas, lasque pueden aparecercircunstancialmente, sufalla se producengeneralmente, al no aceptar

deformaciones plásticas opor fragilidad, aun enaquellos metalesconsiderados como dúctiles.En estos casos esconveniente analizar elcomportamiento del materialen el laboratorio deimpacto.

El ensayo de tracciónestático nos da valorescorrectos de la ductilidadde un metal, no resultapreciso para determinar sugrado de tenacidad ofragilidad, en condicionesvariables de trabajo. Losensayos de choquedeterminan, pues, lafragilidad o capacidad deun material de absorbercargas instantáneas, por eltrabajo necesario paraintroducir la fractura dela probeta de un solochoque, el que se refiere ala unidad de área, paraobtener lo que se denominaresiliencia.

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOSTenacidad

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La tenacidad cuantifica laenergía total de unmaterial hasta la fractura´o entalla. En el primercaso, este concepto seutiliza para condicionesestáticas, y el segundopara dinámicas.

Una entalla es unconcentrador de tensiones,como grietas o huecos enmateriales, en donde lastensiones aumentan debido ala menor coalescencia entrelas moléculas en suproximidad. Por estemotivo, algunos materialesdúctiles pueden fracturarseo agrietarse en entallas.

MuescaLa forma y lo pronunciadode la entalladura influyenen los resultados delensayo de impacto. Mientrasmenos profunda y aguda seala muesca, mayor será ladiferencia entre losresultados obtenidos conmateriales tenaces y los depoca tenacidad. No

obstante, si la muescatiene muy poca profundidad,la probeta no se romperá,por lo que casi siempre seprefiere la profundidad.Puesto que es difícillabrar a máquina unamuestra perfectamente agudase ha adoptado generalmenteun radio de 0.25 mm para lamayoría de las pruebas. Elefecto de la muesca esconcentrar esfuerzostriaxiales que restrinjanel flujo plástico yaumenten el límite elásticodel material. Cuando seproduce una hendidura en laraíz de la entalladura, elesfuerzo se intensificaenormemente y la hendiduraprogresa con rapidez através de la seccióntransversal. Sin la muesca,las probetas de muchosmateriales sencillamente sedoblarían sin tenerfractura y no podríadetectarse su capacidadtotal para absorberenergía.

La respuesta de losmateriales a la presencia

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de cambios abruptos en susección transversal es muyvariada.Resiliencia

La Resiliencia es lamagnitud que cuantifica lacantidad de energía que unmaterial puede absorber alromperse por efecto de unimpacto, por unidad desuperficie de rotura. Coneste concepto no seconsigue una propiedaddefinida del material, sinoque se obtiene un índicecomparativo desu plasticidad, en relacióna las obtenidas en otrosensayos realizados enidénticas condiciones, porlo que deben considerarselos diferentes factores queinciden sobre ella. Laresiliencia se diferenciade la tenacidad en que estaúltima cuantifica lacantidad de energíaabsorbida por unidad desuperficie de rotura bajola acción de un esfuerzoprogresivo, y no porimpacto.

Generalidades de la pruebade impacto:

“Cuando un material essujeto a un golpe repentinoy violento, en el que lavelocidad de deformación esextremadamente rápida, sepuede comportar en unaforma mucho más frágil quela que se observa en otrotipo de pruebas, porejemplo en el ensayo detensión. Esto, se puedeobservar en muchosplásticos, ya que alestirarlo con muchalentitud, las moléculas depolímero tienen tiempo dedesenredarse o las cadenasde deslizarse entre sí ypermitir deformacionesplásticas grandes.

Sin embargo, si se aplicauna carga de impacto, eltiempo es insuficiente paraque esos mecanismos jueguenun papel en el proceso dedeformación, y losmateriales se rompen enforma frágil, Confrecuencia se usa un ensayode impacto para evaluar la

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fragilidad de un materialbajo estas condiciones. Encontraste con el ensayo detensión, en el de impactolas tasas de deformaciónunitaria son muchomayores”.

Propiedades de Impacto

- Temperatura detransición de dúctil afrágil.

Es la temperatura debajo dela cual un material secomporta de forma frágil enun ensayo de impacto. Elcambio de dúctil a frágiltambién depende de lavelocidad de deformación.Un material que se somete aun golpe de impacto enservicio debe tener unatemperatura de transiciónmenor que la temperaturadel entorno.

Figura No.1. Graficoresistencia de impacto vstemperatura.

Esta temperatura sirveademás como referencia enla selección de materiales,debido a que asegura que latemperatura más baja a laque el material estaráexpuesto esté muy porencima de la temperatura detransición de dúctil afrágil. Es decir, a altastemperaturas se absorbegran cantidad de energía,lo que está relacionado conla fractura dúctil. A bajastemperaturas tenemos una

menor absorción de energía,lo que está relacionado conla fractura frágil.

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- Sensibilidad a lamuesca

Las muescas que sonmaquinadas, de fabricacióndeficiente, o diseñadas,concentran esfuerzos yreducen la tenacidad de losmateriales. La sensibilidadde la muesca mide su efectosobre las propiedades de unmaterial, como tenacidad ovida de fatiga. Lasenergías absorbidas sonmuchos menores en lasprobetas con muesca.Figura No.2. . Propiedadesde una muesca en V deCharpy para un acero alcarbono BCC y un aceroinoxidable FCC.

- Relación con eldiagrama esfuerzodeformación

La energía necesaria pararomper un material duranteun ensayo de impacto, nosiempre se relaciona con laresistencia a la tensión.En general, los metales quetienen alta resistencia y ala vez gran ductilidad,tienen buena tenacidad a la

tensión. Sin embargo, estecomportamiento cambiacuando las velocidades dedeformación son altas. Así,dicha velocidad puededesplazar la transición dedúctil a frágil.

- Designación de eje delespécimen

La orientación con que sesacan las probetas de loslingotes de laslaminaciones de acero,permite que esta adquieramayor o menor resistenciaante la fractura porimpacto. Se puede ver comoel corte de la muesca y suorientación (el plano)coincide paralela operpendicularmente al ejede flujo de las fibrasnaturales (de laminación)del espécimen.

3. DESARROLLOEXPERIMENTAL

Materiales utilizados

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Se realizó el laboratorioutilizando cuatro probetasde diferentes materiales(bronce, cobre, hacer yaluminio), estas probetasfueron medidas con la ayudadel calibrador y se obtuvola sección transversal y lasección longitudinal de unade ellas, ya que se supusoque todas las probetastenían las mismaslongitudes.

Una vez obtenida el valorde las longitudes de lasprobetas, era necesarioconocer la pérdida deenergía de la máquinapéndula de charpy, paraconocer dicha pérdida, selevantó el péndulo de lamáquina y se ajustó con elpin de ajuste, para que elpéndulo no inicia a oscilaruna vez soltado, se puso ellector de medida en quincejulios (15 J) ya que estepunto coincide con unángulo de cero grados (0°),una vez puesto el lector enese punto, se dejó oscilarel péndulo de la maquinasin material de prueba, y

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BA

D

C

Maquina péndulocharpy AProbeta (acero,bronce, cobre,aluminio)

B

calibrador CIntegrantes

D



el punto en el que terminóel lector, correspondía ala perdida de energía de lamáquina, la cual fue de(0,6 J).Como ya se obtuvoel valor de la perdida deenergía de la máquina, seprocede a obtener el valorde la energía absorbida decada material, para haceresto, se coloca nuevamenteel péndulo de la máquina enla parte más alta y seajusta, se pone el lectorde medida en quince julios(15 J) y con un ángulo decero grados (0°), se colocael material sobre la ranurade la máquina, teniendo encuenta que la muesca (ladivisión del material) debecolocarse horizontalmenteen un patrón especial quegarantice la posición de laincisión en la parte mediaentre los apoyos. De estamanera, el impacto esaplicado desde el ladoopuesto a la incisión, enel plano perpendicular aleje longitudinal elmaterial, cuando el péndulogolpea el material, ellector de medida, indica la

energía absorbida delmaterial que produce queeste se encorve o sedestruya. Una parte de dicha energíaes empleada en la sacudidadel péndulo, para vencer laresistencia del aire. El valor de la energíaabsorbida por el materialse resta con el valor de laperdida de energía de lamáquina y se obtiene laenergía de impacto cadamaterial. Con el valor dela energía, se calcula elporcentaje de error de laexperiencia.

4. CÁLCULOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Tabla 1. Datos obtenidos enel laboratorio.

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*Sección transversal de lasprobetas: 0.7x0.7mm

En la tabla 1 se puedeobservar los datosrecolectados durante ellaboratorio, los cuales sonla base para hallar laenergía de impactocorrespondiente a cadamaterial.La ecuación que se utilizópara esta experiencia es:

Ei=EA

s (1)

Donde EA es la energíaabsorbida correspondientea cada material, y s es lasección transversal.Entonces, teniendo encuenta la tabla 1 y laecuación (1) se procede ahallar los respectivoscálculos:

Aluminio

Ei=5.7J

0.49mm2=11.63J /mm2

Cobre

Ei=7.8J

0.49mm2=15.91J /mm2

Acero 10-20

Ei=9.6J

0.49mm2=19.59J /mm2

Bronce

Ei=2.16J0.49mm2=4.40J /mm2

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MATERIAL

Energía

TotalET

Energíade

frotamientoEF

Energía

Absorbida

EA=ET-EF

Aluminio

6.3J0.6J

5.7J

Cobre 8.4J 7.8JAcero10-20

10.2J

9.6J

Bronce 2.75J

2.16J



Adicional a esto esimportante mencionar lainfluencia que tiene latemperatura en elcomportamiento de losmateriales ante fuerzas deimpacto.

Según el librocaracterización de materiales deuso en ingeniería de José AhumadaVillafañe, los materiales queestán influenciados poraltas temperaturas sevuelven más dúctiles,mientras que a bajastemperaturas adquieren uncomportamiento frágil.También, la temperatura ala cual el material pasa deabsorber mucha energía aabsorber poca se denominatemperatura de transición.

Por consiguiente, se puedededucir que si se llega asuministrar un aumento detemperatura, es decir, quela temperatura base de lapráctica fuera mayor a laambiente, existiría mayorabsorción de energía en elimpacto, por lo tanto losmateriales arrojarían un Ei

mayor a los datosobtenidos.

5. CONCLUSIÓN

Para concluir se puedeindicar que el material quemás absorbe energía deimpacto, es decir, es másdúctil es el Acero 10-20.Esta conclusión era deesperarse puesto se sabe deantemano las característicasparticulares del Acero y sugran poder de ductilidad yresistencia. Le sigue elCobre y el Aluminio, y porultimo está el Bronce.También es preciso decir quela temperatura juega un papelmuy importante en elcomportamiento de impacto delos materiales, siendo estefactor una gran variante.

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6. BIBLIOGRAFÍA

- http:// www.ing.unlpam.edu.ar/~material/materiales/presentaciones/ApunteDureza.pdf

- Hibbeler R, Mecánicade Materiales. TerceraEdición. Prentice-Hall

Hispanoamericana SA.México D.F.

- Mecánica demateriales, BeerFerdinand y Johnston.

- Caracterización deMateriales de uso enIngeniería, Educosta,2009, Ahumada JoséLuis.

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http://www.ing.unlpam.edu.ar/~material/materiales/presentaciones/ApunteDureza.pdf



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