ENSAYO DE IMPACTO

 

ENSAYO DINÁMICO A FLEXIÓN DE PROBETAS RANURADAS.

ENSAYO CHARPY

 

Los ensayos dinámicos son realizados para valorar la capacidad de resistencia de los materiales metálicos a las cargas de impacto (tenacidad) y determinar su tendencia a la destrucción frágil. Entre los ensayos de esta índole los más conocidos y estandarizados son los de impacto a flexión con muestras ranuradas. La velocidad de deformación en el caso de los ensayos dinámicos supera en varios órdenes a la velocidad de deformación en los ensayos estáticos.

 

OBJETIVO DEL ENSAYO. Familiarizarse con los criterios de valoración de la resistencia de los materiales a las cargas de impacto; comparación de la conducta de un mismo material, sometido a distintos tratamientos térmicos, frente al ensayo de impacto de Charpy.

 

CONSIDERACIONES GENERALES.

Los impactos de ensayo a flexión son realizados con la ayuda del péndulo de Charpy, con una energía que sobrepasa los 30 kgf×cm. El esquema de ensayo se muestra en la figura.

 

 

 

 

 

 

 

Esquema de trabajo del péndulo de Charpy


La muestra se coloca hori­zontalmente en un patrón especial que garantiza es­trictamente la posición de la incisión (ranura, entalla) en la parte media del vano entre los apoyos. El impacto es apli­cado desde el lado opuesto a la incisión, en el plano perpendicular al eje longitudinal de la muestra. El péndulo se fija en la posición superior inicial a la altura ha de 1,6 m, lo que corresponde a una velocidad del cuchillo del péndulo, en el momento del impacto de 5,6 m/s. Luego la uña de fijación se retira, el péndulo cae libremente por efecto de su propia gravedad aplicando un impacto a la muestra, que la encorva y destruye elevándose en relación al eje vertical del péndulo Charpy en un ángulo b. Este ángulo es tanto menor, cuanto mayor es la energía aplicada en el proceso por el péndulo para la deformación y destrucción de la muestra.

 

Por medio de la escala, se mide el ángulo de elevación del péndulo y directamente se lee la energía consumida en el proceso (la escala del indicador esta graduada en kilopondios por metro kp×m). Las relaciones energéticas usadas se muestran aquí.

 

Una parte de la energía del impacto es empleada en la sacudida del péndulo y del bastidor, para vencer la resistencia del aire, en el roce de los cojinetes y del dispositivo de medición, en la deformación de la muestra cerca de los apoyos y bajo el cuchillo, en la transmisión de energía a las fracciones de la muestra y en la deformación elástica de la barra del péndulo.

 

La influencia de estos factores, que hacen variar las mediciones hasta en un 30% de un péndulo a otro pueden ser minimizadas restando la influencia de los factores cuantificables o medibles. En otras palabras, se aconseja restar de la energía mostrada por el indicador Ei la energía imprimida a las fracciones de probeta en forma de energía cinética Ek (este dato puede calculado aproximadamente), y la energía disipada por fricciones Ef (ésta puede ser medida experimentalmente). De esta manera, la energía aproximada, usada sólo para la destrucción de la probeta Er , será:

 

 

Ef , energía disipada por fricciones, debe ser medida antes de cada ensayo, para esto se deja caer libremente el péndulo, sin instalar probeta en los apoyos, y se anota la energía mostrada por el indicador.

 

Ek , energía cinética necesaria para el desplazamiento de las fracciones de probeta luego de la rotura, puede ser calculada:

donde m es la masa de la probeta y v es la velocidad de las fracciones, que se asume igual al velocidad del péndulo en el momento del impacto (v =5,6 m/s).

 

El estándar ASTM E23-72 define el ensayo de barras ranuradas al impacto como un ensayo por el cual se observa el comportamiento del metal cuando está sujeto a la aplicación de una carga única que genera un estado de esfuerzos multiaxial asociado a la ranura, en conjunto con altas ratas de carga y en algunos casos altas o bajas temperaturas.

 

PROCEDIMIENTO

 Para realizar el ensayo de impacto en barras ranuradas se procede así:

a)     Se pesan las probetas.

b)    Luego, sin instalar probeta alguna se eleva el péndulo y se engatilla, para ser liberado luego. Se deja que el péndulo realice unos cuantos vaivenes (3) y se detiene. La energía gastada en este proceso se anota.

c)     Se instala la probeta en los apoyos, se engatilla y suelta el péndulo, produciéndose la rotura de la probeta. Luego de detenido se anota la energía aplicada en el proceso.

d)     Se calcula la energía cinética, aplicada a las fracciones de probeta. Se realiza el cálculo de la energía invertida en la rotura de la probeta.

e)     Se repiten los pasos c) y d) para las otras probetas.

 

MAQUINARIA, MATERIALES E INSTRUMENTOS DE MEDIDA.

 Máquina.

 

Para los ensayos de impacto se usa el Martinete de Péndulo para Ensayos por Choque PSW30, marca Wekstoffprüfmaschinen, del cual se muestra su aspecto general en la figura.

 

Sus características técnicas son:

 

Energía que genera el péndulo 15 kp.m ó 30 kp.m (en dependencia del martillo instalado de masa 9,375 kg ó 18,750 kg, correspondientemente ).

 

Graduación de la escala 0,1 kp.m y 0,2 kp.

 

Velocidad de impacto 5,6 m/s.

 

Distancia entre el eje de rotación del marillo y el centro de la muestra 825 mm.

 

Ángulo de levantamiento del martillo para iniciar el ensayo 160°.

 

Redondeado del filo del martillo 2 ± 0,5 mm.

Aspecto general de la Máquina de Charpy

 

 

 

El estándar ASTM E23-72 presenta las siguientes exigencias para los martillos de péndulo: a) La máquina debe ser de construcción rígida y con capacidad energética suficiente para romper la probeta de un solo golpe. La máquina no debe ser usada para valores mayores al 80% del rango de la escala. La velocidad no debe ser menor de 3 m/s ni mayor de 6 m/s. El error en la escala en cualquier punto no debe exceder el 0,2% del rango ó 0,4% de lectura. El plano de movimiento del péndulo debe ser perpendicular al eje transversal de la muestra y no debe desviarse más de 3:1000 (unidades de longitud). El dispositivo de liberación del péndulo desde su punto inicial debe operar libremente y no impulsar, retardar o hacer vibrar el péndulo. Se debe proveer un dispositivo (ensayos Charpy) para situar la probeta de manera que su plano de simetría no quede desviado más de 0,1 mm con respecto al punto medio entre los apoyos.

 

Probetas.  Se ensayarán tres probetas de acero AISI O1, con distintos tratamientos térmicos. Estas mismas probetas se usaron para la medición de las durezas Vickers y Rockwell.

 

1)     Probeta de acero AISI O1 en estado de suministro,

2)     Probeta de acero AISI O1 templada en aceite,

3)     Probeta de acero AISI O1 templada en agua.

 

El estándar ASTM recomienda los siguientes tipos de probetas:

 

Probetas para el ensayo de Charpy

 

Se deben medir cuidadosamente las probetas con instrumentos de medición convencionales y concluir qué tipos de probeta se usan para nuestra práctica.

 

Como se ve en la figura anterior, en las probetas se realiza una ranura o incisión. Dicha ranura tiene el objeto de que la probeta se rompa en un solo impacto. Además la ranura garantiza el rompimiento de la probeta por una sección controlada. En este tipo de probetas los esfuerzos y la deformación plástica se concentran en una parte limitada del volumen de la muestra, alrededor de la incisión. Precisamente aquí es donde es absorbida prácticamente toda la energía del impacto. En la figura se muestra un esquema de la distribución de los esfuerzos. Esta gráfica fue obtenida con ayuda del programa de elementos finitos ALGOR.

 

 

 

 

 

Análisis de esfuerzos con elementos finitos. Se muestra la concentración de esfuerzos alrededor de la entalladura y la posible propagación de la deformación.

 

 REALIZACIÓN DEL ENSAYO

 

1.          ¡ATENCIÓN!. El ensayo se realiza sólo por el profesor en presencia de los alumnos, se darán aquí algunas recomendaciones adicionales.

2.          No olvide realizar la medición de las pérdidas por fricción. Este ensayo se hace sin instalar probeta.

3.          Si no se han pesado las probetas, las fracciones de éstas después de cada impacto deben ser encontradas, empacadas y rotuladas para su posterior pesaje.

4.          Póngase especial atención al timbre del sonido ocasionado por el impacto y la rotura; esto nos da una idea de la fragilidad comparativa de los materiales.

5.          Obsérvese con atención la sección de la rotura, este análisis también nos ofrece datos sobre la fragilidad de los materiales.

6.          Júntense los pedazos de cada probeta haciéndolos coincidir como un rompecabezas y observe las deformaciones residuales comparativas para cada probeta.

 

 TRATAMIENTO E INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS

 

Los datos obtenidos se consignan y se analizan por medio de la siguiente tabla. ¡Ojo con las unidades!

 

 

Probetas de acero

AISI O1

m

Masa de la probeta

[kg]

Ef

Energía disipada por fricciones [kp.m]

Ef

Energía disipada por fricciones

 [J]

Ek

Energía cinética

de los trozos

[J]

Ei

Energía mostrada por el indicador [kp.m]

Ei

Energía mostrada por el indicador

[J]

Er

Energía de destrucción de la probeta

[J]

 

Dureza Vickers

HV

En estado de suministro

 

 

 

 

 

 

 

 

Templada en aceite

 

 

 

 

 

 

 

 

Templada en agua

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Las fórmulas a usarse son:                           ,        (v =5,6 m/s).

 

 

Nota : Un kilopondio es lo mismo que un kilogramo fuerza por lo tanto:    1 kp×m = 9,8 J

 

INFORME

 

De manera particular, el informe sobre el ensayo dinámico a flexión de probetas ranuradas, debe contener.

 

1)     Objetivo.

2)     Consideraciones teóricas generales: sobre la tenacidad, necesidad de los ensayos dinámicos

3)     Maquinaria. Tipo y modelo de la máquina

4)     Probetas. Dibujo de las mismas, comparación con la probeta ASTM.

5)     Velocidad de los ensayos.

6)     Tabla de resultados.

7)     Apariencia de la superficie de la fractura

5)     Conclusión.

 

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