Guia de Laboratorio Charpy

 

 

UNIVERSIDAD UNIVERSIDA D NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”   PUNTO FIJO –  ESTADO  ESTADO FALCÓN 

LABORATORIO LABORATORI O DE CIENCIAS DE LOS MATERIALES DEPARTAMENTO DE MECÁNICA Y TECN. PRODUCCIÓN DEPARTAMENTO UNEFM 

 

 

Ensayo Charpy

Enrique J. García C. Ing. Mecánico

Introducción

El nombre de este ensayo se debe a su creador, el francés Augustin Georges Albert Charpy (1865-1945). A través del mismo se puede conocer el comportamiento que tienen los materiales al impacto.  El ensayo de impacto o choque también llamado de resiliencia  proporciona una medida de la tenacidad del material material e indirectamente de su ductilidad ya que en general existe una correlación entre ambas características; carac terísticas; el valor numérico obtenido, sin embargo, es similar al de la resiliencia por lo que también se denomina ensayo de resiliencia. La razón de esta coincidencia se debe al hecho de que en el ensayo de impacto la carga que  provoca la rotura de la probeta se aplica de forma instantánea impidiendo la deformación  plástica del material provocando en la práctica la fractura frágil fr ágil de materiales dúctiles. El valor obtenido en el ensayo constituye una referencia válida para prever el comportamiento de los materiales frente a cargas dinámicas (variables) y valorar si un material concreto será adecuado en una determinada situación, si bien, a diferencia de otras características determinadas mediante ensayo, como por ejemplo las del ensayo de tracción, el valor de la resiliencia no tiene utilidad en los cálculos de diseño. Aunque la tenacidad de un material puede obtenerse calculando el área bajo el diagrama esfuerzo deformación, la prueba de impacto indicará la tenacidad relativa. El modo de fallo del ensayo de tracción no nos permite extrapolar los resultados a otras situaciones diferentes para predecir el comportamiento a la fractura, por ejemplo en algunos materiales normalmente dúctiles se fracturaban frágilmente sin tener apenas deformación  plástica. El tipo de fallo está condicionado por las condiciones de contorno del material. Para ensayar los materiales en las peores condiciones posibles con respecto a la fractura se crearon los ensayos de impacto. Estas condiciones son: 1. Deformación a temperaturas relativamente bajas. 2. Velocidad de deformación elevada. 3. Estado tria axial de tensiones (mediante la presencia entalla mecánica)

 

 

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Enrique J. García C. Ing. Mecánico

Objetii vo gene Objet generr al

Determinar la tenacidad de los materiales por medio de la prueba de impacto, fundamentado en la norma ASTM E-23. Objetivos específicos. 1.  Conocer e identificar el ensayo tipo Charpy y todo lo que ésta conlleva en cuanto a

soportes de probetas, martillos de golpeo, ubicación de las probetas, dimensiones, etc. contemplado en la norma ASTM E-23. 2.  Tener el conocimiento necesario acerca del funcionamiento fun cionamiento general de la máquina de  pruebas de impacto. 3.  Estar en capacidad de realizar las pruebas de impacto para los ensayos tipo Charpy. I nstrucci nstruccio one ness de segu segurr i dad 1.  Cuando la máquina se está preparando para cualquier prueba, debe mantenerse puesta

la tranca de seguridad, ya que, de no ser así, el sistema de freno podría fallar y causar lesiones al operario. 2.  En el momento de soltar el péndulo, las personas que estén observando la prueba deben alejarse aproximadamente un metro de la máquina para evitar ser golpeados  por los fragmentos de las probetas. 3.  Solamente deben ser utilizadas probetas tipo estándar, según lo especificado en la norma técnica ASTM E-23, de las dimensiones y materiales para los cuales se ha diseñado la máquina. 4.  El sistema de freno debe ser accionado solamente por una persona, que para tal fin debe poner las dos manos sobre la manivela que permite liberar el péndulo de la  posición estática. 5.  Al realizar una prueba, esta debe ser definida correctamente, de manera que la máquina sea graduada por el encargado para tal fin. La máquina debe ser s er provista con los aditamentos adecuados según sea el caso: 6.   prueba tipo Charpy o prueba tipo Izod. Los aditamentos son: martillo de golpeo y soportes para las probetas. 7.  En el momento de subir el péndulo a la posición estática, es necesario que el movimiento sea hecho por una sola persona, preferiblemente por un hombre, pues esta parte de la máquina pesa aproximadamente 19, 962 Kg.; debe subirse con una sola mano (derecha), el giro que realiza el brazo de la persona debe ser paralelo al  plano de giro del péndulo p éndulo y en ningún momento se debe eje ejercer rcer fuerzas por po r fuera de éste plano, ya que pude ser peligroso y dañino para la máquina. 8.  Al poner el péndulo en la posición estática, es importante fijar la parte giratoria de la  base soporte de éste y colocar el pin que casa en uno de los orificios de la base, todo con el propósito de fijar con seguridad el péndulo en su posición cargada (inicialestática).

 

 

Ensayo Charpy

Enrique J. García C. Ing. Mecánico

 Marco teór ico G ener nerali alida dade dess de la pr pr ueb ueba a de i mp mpacto acto L a te temp mpe er atur atura aye ell ens ensayo ayo de i mpacto mpacto..

Una de las principales funciones que se persigue en un ensayo ensa yo de impacto es poder determinar si el material al cual se le realizan las pruebas experimenta una transición Dúctil - Frágil al disminuir la temperatura, y de ser así en que intervalo de temperatura ocurre. La transición está relacionada con la dependencia de la temperatura de la energía absorbida en el impacto. Por ejemplo, para un acero, esta transición esta representada en la figura 1, por la curva A. A temperaturas altas, la energía en una probeta con entalle o muesca en V es relativamente grande, lo cual está relacionado con un modo de fractura dúctil. A medida que q ue la temperatura disminuye, la energía de impacto disminuye rápidamente en un intervalo relativamente estrecho de temperaturas, por debajo del cual la energía tiene un valor constante pero  pequeño; esto es el modo de fractura frágil. f rágil. Por otro lado, la naturaleza del aspecto de la fractura puede ser una alternativa para determinar la temperatura de transición. En la fractura dúctil esta superficie aparece fibrosa (o bien de características de cizalladura); por el contrario, las superficies de fractura totalmente frágiles tienen una textura granular (o bien de clivaje). En la transición frágil dúctil, existen características de ambos tipos. Con frecuencia, el porcentaje de fractura por cizalladura se representa en función de la temperatura (curva B de la figura 1).

 Figura 1. Temperaturas de transición.

 

 

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Algo importante de estos ensayos es que se puede determinar la temperatura de transición frágil-dúctil (su principal ventaja sobre otros ensayos). Esto se consigue realizando el ensayo en iguales condiciones normalizadas, pero a distintas temperaturas. Lo que se hace es calentar o enfriar la probeta antes de realizar el ensayo (la distribución de temperaturas debe ser homogénea enlas toda una serie de curvas características de cada material como quelaseprobeta). muestranSe en obtienen la figura 2.

 Fig. 2. Curvas características de algunos materiales, en la figura de la derecha se  puede ver la transición de frágil a dúctil.

Se observa que existe una dependencia de la energía absorbida con la temperatura. A altas temperaturas se absorbe gran cantidad de energía, lo que está relacionado con la fractura dúctil. A bajas temperaturas tenemos una menor absorción de energía, lo que está relacionado con la fractura frágil. Hay una influencia importante de la estructura del material en el tipo de fractura. En la mayoría de los casos habrá una transición brusca del comportamiento del material a alta temperatura y a baja temperatura. Existe lo que se denomina intervalo de transición dúctil frágil (típico en materiales de estructura BCC). Cuando no hay transición pronunciada, referimos la temperatura de transición dúctil-frágil a la temperatura para la cual el material absorbe 27 [J] de energía, o también a la temperatura para la cual el 50% de la superficie de fractura del material es de fractura dúctil. La fractura

La fractura de un sólido se puede definir como su separación en dos o más partes como consecuencia de los efectos de una tensión. Existen dos tipos diferentes de fractura: Fractura dúctil, en la que se produce una importante deformación plástica en la zona de rotura. Debido a la irregularidad de esta deformación plástica, se originan superficies de fractura mates. Fractura frágil, en la que el material se separa según un plano y sin que apenas se produzca deformación plástica. Este tipo de fractura, que es típica de materiales cerámicos,

 

 

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vidrio y metales muy duros, origina superficies brillantes. La aparición de la fractura frágil se debe a las fisuras de diminuto tamaño existentes en un elemento del material, que pueden estar presentes desde su fabricación. Así sucede, por ejemplo, en las uniones de puentes,  barcos, etc., que no se pueden construir de una sola pieza; o también pueden generarse a lo largo de la vida del elemento, como consecuencia de un proceso de fatiga o de un desgaste. Influencias micro - estructurales

Composición del material

En los aceros al introducir carbono formamos una solución sólida intersticial (porque los átomos de C son muy pequeños y ocupan los intersticios), el cual es un mecanismo de endurecimiento. Esto hace al material menos tenaz. Cuanto más carbono añadimos hacemos más favorable la fractura frágil. El oxígeno fragiliza también el acero, y de forma más  pronunciada. Algo similar sucede con los elementos aleantes, abundantes en los aceros SAE 4140 y 4340. Tamaño de grano

La disminución del tamaño de grano endurece al material y a la vez aumenta su tenacidad. Esto se debe a que la deformación inducida es más fácil de absorber debido a la gran superficie del límite de grano (de alto desorden). Es decir que al someter una probeta a un tratamiento térmico de recocido, el cual aumenta el tamaño de grano, el material se hace más dúctil pero menos tenaz a la fractura. E st strr uct uctur ura a cri st sta alilina na

Los materiales con estructura FCC son muy tenaces. Presentan una transición muy suave. Se utilizan para trabajar a temperaturas criogénicas (como por ejemplo los aceros inoxidables austeníticos). Los materiales BCC presentan sin embargo una transición muy brusca. Los materiales HC tienen un comportamiento similar al de las aleaciones de alta resistencia (poca transición pero baja tenacidad), a excepción del titanio (muy tenaz). Los materiales FCC serán dúctiles y tenaces para cualquier velocidad de aplicación de la carga y para cualquier temperatura. Materiales dúctiles como los BCC a temperatura ambiente y bajas velocidades de aplicación de la carga se comportan como frágiles cuando la temperatura es baja y cuando a temperatura ambiente se aplica la carga carg a a altas velocidades. Esto significa que la fractura frágil se puede pued e dar con uno o más requisitos. r equisitos. Los materiales HC serán frágiles en prácticamente todas las condiciones (con excepciones).

 

 

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C om omo o se rrea ealili za un ensayo d de e iimp mpacto acto. 

La carga es aplicada en forma de un golpe con un martillo de péndulo el cual se deja caer desde una altura “h” fija prestablecida. La

 probeta es colocada en la base de la maquina (ver figura 3), al dejar caer el péndulo, el  borde de un unaa cu cuchilla chilla montada en el péndulo golpeara y fracturara la probeta a lo largo de la entalla, la cual actúa como un concentrador de tensiones. El péndulo continuara su movimiento oscilante, alcanzando una altura máxima h`, la cual es menor que h, la diferencia de alturas representa la perdida de energía, lo que no es más que la medida de la energía absorbida en el impacto. Las variables tales como el tamaño y la forma de la probeta, prob eta, así como la configuración y profundidad de la entalla o muesca influyen en los resultados.

Fig. 3

E nsayo tip ti po cha charr py

Este ensayo consiste en romper una probeta simplemente apoyada en posición horizontal,  por medio de un golpe en su punto medio, en donde previamente se le ha hecho una muesca. El martillo golpea en dirección opuesta a la muesca. (Ver Figura No. 4)

 Fig. 4 Posición de la proveta tipo Charpy

 

 

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E nsayo tip ti po izo i zod d

Este ensayo consiste en romper la probeta sostenida en voladizo en posición horizontal, por medio de un golpe golpe en su extremo libre. En su base, a ésta probeta también se le hace una muesca, sin embargo, esta es realizada a toda una sección transversal de la probeta. (Ver Figura No .5).

 Fig. 5 Posición de la proveta tipo Izod

Procedimiento de ensayo Charpy.

El procedimiento de prueba Charpy puede resumirse como sigue: 1.  La muestra de ensayo se acondiciona y se coloca sobre la muestra térmicamente apoya contra los yunques; el péndulo se libera y sin vibraciones, y la muestra se ve afectado por el delantero. La información se obtiene a partir de la máquina y de la muestra rotos. 2.  Para colocar una probeta en la máquina, se recomienda que las pinzas autocentrantes similares a las mostradas en la Fig. 6. Las pinzas ilustran en la Fig. 4 son para el centrado de las muestras con entalla en V. Si se utilizan muestras de ojo de cerradura, la modificación del diseño de las pinzas puede ser necesario. Si se utiliza un dispositivo de centrado final, se debe tener cuidado para asegurar ase gurar que las muestras de alta resistencia y baja energía no va a rebotar en este dispositivo contra el péndulo y causar valores erróneamente altos registrados. Muchos de tales dispositivos son accesorios permanentes de máquinas, y si el espacio libre entre el final de un espécimen en la posición de prueba y el dispositivo de centrado no es de aproximadamente 13 mm, la muestra rota puede rebotar en el péndulo.

 

 

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3.  Llevar a cabo la prueba, preparar la máquina elevando el péndulo a la posición de  bloqueo, ajuste el indicador de energía a la lectura máxima escala, o inicializar la  pantalla digital, o ambos, coloque la muestra en los yunques, y suelte el péndulo. 4.  Retire la muestra de ensayo de su medio de enfriamiento (o calentamiento) con pinzas de centrado que se tienen que acondicionar con temperatura de la muestra de ensayo, colocar la muestra en la posición de prueba, y suelte el péndulo sin problemas. Si una muestra de ensayo ha sido retirada del baño de acondicionamiento de la temperatura y es cuestionable que la prueba puede llevarse a cabo dentro del marco de tiempo de 5 s, devolver el espécimen al baño durante el tiempo necesario en antes de la prueba.

 Fig. 6 elemento utilizado para colocar la probeta

T i po d de ee espe speci cime men n o pr prob obet eta a

Como ya se indico anterirmente para el caso que nos compete realizaremos un enzayo tipo Charpy en la figura 7 poedemis ver algunos de los especimen utilizados ASTM E-23, en nuesto caso utilizaremos utilizaremos una muestra tipo A, en la tabla abajo algunas de las desviaciones máximas permitidas.

 

 

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 Fig. 7 tipos de especimen

Perpendicularidad del eje de muesca muesca ± 2 ° Adyacentes (90 °) lados estarán a

± 10 min

dimensiones de la sección transversal ± 0,075 mm Longitud de la muestra (L)

 +0, -2.5 Mm

Centrado de la muesca (L / 2)

± 1 mm

Ángulo de la muesca

±1°

Radio de la muesca

± 0,025 mm

Ligamento Longitud:

± 0,025 mm

Tipo A espécimen

± 0,025 mm

Tipo de muestra B y C

± 0,075 mm

requisitos de acabado

R una ≤ m 2 de superficie con muescas y la cara opuesta; R una ≤ 4 micras, en otras dos superficies

 

 

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 Sens  Se nsibilida ibilidad d a la mue uesc sca a

Las muescas que son maquinadas, de fabricación deficiente, o diseñadas, concentran esfuerzos y reducen la tenacidad de los materiales. La sensibilidad de la muesca mide su efecto sobre las propiedades de un material, como tenacidad o vida de fatiga. Las energías absorbidas son muchos menores en las probetas con muesca. (Ver Figura No. 8); la estructura cristalina FCC normalmente conduce a mayores energías absorbidas, sin mostrar temperatura de transición.

 Fig. 8 Propiedades de una muesca en V de Charpy  para un acero al carbono BCC y un acero inoxidable FCC

 NOTA: Las probetas de sección rectangular o circular se mecanizan a partir de muestras representativas del material, variando su tamaño y dimensiones y los de la entalla en función de la máquina y  y norma  norma nacional utilizada en el ensayo. La probeta tipo según  según ISO  ISO y normativa europea es de sección cuadrada de 10 mm de lado y 55 mm de longitud colocándose con una distancia entre apoyos de 40 mm. La entalla es de los tipos bulbo y cilíndrica con una profundidad de 5 mm, ancho máximo de 2 mm y una superficie de rotura de 10×5 mm². DIN   50115 emplea probetas similares a las ISO pero de menos La norma DIN  profundidad (3 mm la DVM y 2 mm la DVMK). La entalla de las probetas Izod, equivalentes a la norma BS BS   131 (V) son triangulares con las dimensiones de la Charpy-V.

 

 

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BIBLIOGRAFÍA los Material Materiales es , Thomson Editores.  ASKELAND, Donal R., C ienci a e Ing enierí a de los  ASKELAND, México, 2004. James F. Shackeford (2005). Inr oducci ón a la ci ciencia encia de los los material materiales es para para ing enieros . Pearson Educación, S.A Madrid. Mayagoitia, José. (2004). Tecnología e ingeniería de materiales . México. Editorial McGRAW-HILL Interamericana Editores, S.A Michael L. Meir, (2005). Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros . Editorial Pearson Educación, S.A Madrid 2005. Norma ASTM E-23