INFLUENCIA DE LA FORMA Y EL TAMAÑO DE LA ENTALLA EN UNA PRUEBA DE IMPACTO TIPO CHARPY

Ciencia de materiales, facultad de ingeniería

Universidad Distrital Francisco José de calda, Bogotá, Colombia.

RESUMEN

La primera opinión que tenemos al observar el péndulo de Charpy, es que se trata de una máquina de ensayo muy simple desde el punto de vista mecánico. Sin embargo, a pesar de esa sencillez mecánica, con este instrumento se pueden diseñar varias pruebas de impacto donde se demuestra de forma rápida y didáctica, la influencia que tienen determinados factores en el comportamiento mecánico de los materiales.En este articulo veremos uno de estos factores, el cual es el cambio en la forma y tamaño de la entalla del material y observaremos como reacciona el material ante un impacto de tipo Charpy, donde evaluaremos y analizaremos el cambio que se de en la absorción de la energía según como vayamos cambiado estos factores.

Palabras clave: prueba de impacto tipo Charpy, pruebas mecánicas, resistencia ala fractura.

SUMMARY

The first to think that we have on having observed Charpy's pendulum that treats itself about a machine of very simple test from the mechanical point of view. Nevertheless, in spite of this mechanical simplicity, with this instrument several tests of impact can be designed where it is demonstrated of rapid and didactic form, the influence that certain factors have in the mechanical behavior of the materials.

In this article we will see one of these factors, which is the change in the form and size of her fits of the material and will observe since the material reacts to an impact of type Charpy, where we will evaluate and analyze the change that of in the absorption of the energy as since we are changed these factors.

Keywords: it tries impact type Charpy, mechanical tests, resistance wing fractures.

1. INTRODUCCION

Para poder seleccionar un material que resista un choque o golpe intenso y repentino, debe medirse su resistencia a la ruptura mediante

una prueba de impacto. Se han diseñado procedimientos de ensayo, como la tipo Charpy.

El cual consiste en tomar una muestra del material que se va a ensayar, en forma de una barra cuadrada, la cual puede contener una muesca en forma de V, ya que éstas miden de mejor manera la resistencia del material a la propagación de la fractura. Tal muestra se golpea con un péndulo oscilante, calibrado y así, se obtiene la energía absorbida.

Las pruebas de impacto Charpy se realizan según normas internacionales en las cuales se detallan las dimensiones de las probetas empleadas en este tipo de ensayo, así como la forma de reportar los resultados de los mismos.

En el ensayo, el péndulo, parte de una altura ho, gira describiendo un arco, golpea y rompe la muestra del material, alcanzando una elevación final hf. Conociendo la elevación inicial y final del péndulo, se puede obtener la diferencia de energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto absorbido por la muestra durante la ruptura.

La energía absorbida Ea por la probeta, para producir su fractura, se determina a través de la diferencia de energía potencial del péndulo antes y después del impacto. Una vez conocido el ángulo inicial de aplicación de la carga (α) y el ángulo final (β) al que se eleva el péndulo después de la

rotura completa de la probeta, se puede calcular la energía Es mediante la expresión:

Ea = MgL[cos(β) - cos(α)]

Donde g representa la aceleración de la gravedad.

Los modos de fractura que pueden experimentar los materiales se clasifican en dúctil o frágil, dependiendo de la capacidad que tienen los mismos de absorber energía durante este proceso. Actualmente no existe un criterio único para determinar cuantitativamente cuando una fractura es dúctil o frágil, pero todos coinciden en que el comportamiento dúctil ésta caracterizada por una absorción de energía mayor que la requerida para que un material fracture frágilmente.

Las variables con las que jugaremos en nuestro ensayo ya se han mencionado y son la forma geométrica y el tamaño de la entalla, así que solo centraremos nuestra atención a los efectos que tiene el cambio de estas variables en la absorción de energía del material lo cual se hará por un método experimental y con la utilización de varias probetas con varios tipos de forma y tamaño.

Desde el punto de vista de la ingeniería es muy importante, y en ocasiones imprescindible, conocer cual sería el comportamiento mecánico de los materiales, cuando se encuentran expuestos a condiciones extremas de servicio.

La aplicaciones que tiene esta prueba son muy importantes ya en muchas ocasiones la resistencia al impacto nos define el tiempo de vida

útil de un de la pieza, así como la seguridad del producto y el usuario.

Y teniendo en cuenta que la mayor parte de maquinaria en el mundo utiliza piezas que soportan esfuerzos es muy necesario hacer este tipo de pruebas, ya que esto nos brindara bases acerca de cómo se comportan los materiales con algún tipo de grieta interna o entalla (la cual puede tener diferente forma y tamaño) ante este tipo de impactos y como se absorbe le energía en cada uno de los casos.

2. PARTE EXPERIMEMTAL

2.1 Material

Para el experimento se selecciono un acero AISI 1020 cuya composición química se muestra en la tabla 1. Este acero es característico en la fabricación de chapas de acero y secciones estructurales, ejes y engranajes.

Tabla 1. Composición química del material de la probeta

2.2 Preparación de las probetas

Se prepararon tres probetas a partir de una barra conformada en frio por trefilado con dimensiones de 1 cm de alto por 1 cm de ancho y 8 cm de largo.A cada probeta se le hizo una entalladura diferente. Para la primera probeta la entalladura tenia una profundidad de 2mm con un ángulo de 45º, en la segunda

probeta la entalladura tenia la misma profundidad pero un ángulo de 90º, por ultimo la tercera probeta tenia una entalladura circular con radio de 2mm.

Cada entalladura re realizo con un escariador el cual tenia la forma de la misma cuidando muy bien de no diferir en forma considerable con las medidas deseadas.

2.3 Máquina y equipamiento.

Para la prueba se utilizo un péndulo de Charpy convencional el cual tenia la capacidad del leer la energía absorbida por el material para una mayor facilidad de obtención y precisión en los datos.

Número AISI-SAE

%C %Mn

1020 0,18-0,23 0,30-0,60

2.4 Procedimiento experimental

Para poder determinar si en realidad la forma de la entalla afecta la cantidad de energía absorbida todas las demás variables se mantuvieron constantes para el ensayo en cada una de las tres probetas, para todas se utilizo el mismo peso en el péndulo el cual cayó desde un angulo de 45º sobre la horizontal por lo cual la velocidad de impacto fue la misma para las tres probetas. Igualmente los impactos se realizaron a temperatura ambiente uno tras otro evitando así cambios en la temperatura que pudieran afectar la prueba. Como ya se dijo anteriormente el material era el mismo para todas las probetas las cuales tenían las mismas dimensiones excepto, claro esta, las dimensiones de la entalladura.Se procedió a romper las probetas tomando nota de la energía absorbida en el impacto por cada una y examinando el estado de la misma después del golpe para un posterior análisis

3 Resultados y discusión

En la tabla se muestra el resultado de la prueba de impacto en cada una de las probetas analizadas.

Probeta Energía absorbida

Tipo de rotura

1 18.51 Ruptura completa

2 N.A Sin rotura

3 18.41 Ruptura bisagra

La probeta numero uno tenia un ángulo estándar de 45 o establecido por la prueba charpy.

Esta probeta al recibir el impacto del martillo, sufrió una fractura inmediata, es decir una fractura frágil absorbiendo 18.51 julios. En la prueba la probeta fue capaz de absorber cerca del 25% de la energía aplicada sobre ella puesto que el martillo la golpeo con una energía de 81,35J. Este comportamiento se consideraba predecible ya que el acero 1020 se considera como un material dúctil.

La probeta numero dos tenia una entalla en forma de arco con un radio de 2 mm, esta probeta poseía mucho menos área que la probeta numero 1 por lo cual suponíamos que la fuerza requerida para romperla seria menor que en la probeta anterior ya que se tendría menos área transversal y el esfuerzo que debería soportar seria mayor, sin embargo también pensábamos en que de alguna forma el tipo de entalladura en arco no tendría eficiencia en la propagación de la grieta.

En la prueba la probeta no se rompió, la energía ejercida por el martillo no fue lo suficiente para realizar un rotura total a pesar de poseer menos área, la prueba de impacto en esta probeta tuvo un comportamiento que podríamos describir como el de la prueba de flexión.

En la probeta tres con un Angulo de 90o ocurrió un comportamiento un poco más acorde al ensayo de impacto tradicional, no se tuvo una rotura completa como en la primera probeta pero tampoco se presento una deformación significativa como en la segunda probeta.

La probeta tres no se rompió completamente por lo cual el resultado dado por la maquina de ensayo no es del todo valido. La rotura fue de tipo de bisagra, es decir, la probeta quedo unida por

una línea delgada de material, por lo cual se considera que la fuerza de 81.35 julios no es suficiente para romper el material.

Toda fractura tiene dos etapas sin importar si es frágil o dúctil, la primera de ellas es la formación de la fisura y la segunda la propagación de la misma, es claro que con un Angulo agudo la formación de la fisura se facilita con respecto a un ángulo mucho mas grande ya que la concentración de tenciones en los ángulos agudos es mayor, estos puntos se denominan concentradores de esfuerzos.

En la grafica anterior tomada del libro introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales en el diagrama b observamos como las tensiones se van incrementando a medida que se acerca a la punta de la grieta, este principio no es solo aplicable a la grietas internas sino también a ángulos grietas y entallas.

4. Conclusiones

de acuerdo a lo observado en el ensayo la pobreta con el ángulo mas agudo fue la única que sufrió una rotura debido a que en cuanto mas agudo es la entalla mayor eficiencia tiene en propagar

la grieta ya que concentra las tensiones internas en mayor dimensión.

las entallas con ángulos mayores tienden a distribuir la tensión aplicada cambiando la fractura frágil por una fractura dúctil ya que hay deformación plástica.

Es importante conocer la forma de los ángulos en la fabricación de piezas mecánicas debido a que estos tienen gran influencia en el comportamiento de la pieza frente a situaciones de impacto y desgaste.

para piezas que están sometidas constantemente a impactos y se requiere de se durabilidad, es recomendable evitar las puntas o ángulos agudos ya que estos causan una fractura mas fácil en el material al tener un comportamiento frágil, este comportamiento frágil es súbito y catastrófico en contrate los ángulos grandes pueden promover una fractura dúctil que es mas perceptible debido a la deformación plástica que existe y por ello es susceptible a medidas preventivas

Todos los materiales actúan de manera diferente, esto se debe principalmente a sus propiedades mecánicas, en las que se incluye la resistencia al impacto, tenacidad, entre otras. Teóricamente podemos decir que en los materiales cuando se les aplica fuerzas externas comúnmente estos cambian su forma, llamada también deformación o ruptura.

Para poder seleccionar un material que resista un choque o golpe intenso y repentino, debe medirse su resistencia a la ruptura mediante una prueba de impacto

No se puede decir a ciencia cierta que tan tenaz es el material de la probeta porque el ensayo se realizo a una misma temperatura, ya que a mayor temperatura es mayor la energía para romper el material, y con poca temperatura, el material, se fractura con poca energía absorbida. A temperaturas elevadas el material se comporta de manara dúctil con gran deformación y estiramiento antes de romperse. A temperaturas reducidas el material es frágil y se observa poca deformación en el punto de fractura. La temperatura de transición es aquella a la cual el material cambia de presentar una fractura dúctil a una frágil.

5. Agradecimientos

Agradecemos a Edwin Medina por su colaboración y útiles aportes en el desarrollo de este documento, igualmente a la universidad distrital francisco José de Caldas por facilitarnos sus instalaciones

6. Referencias

1. introducción a al ciencia e ingeniería de los materiales, William Callister, editorial Reverete.

2. revista mexicana de física, junio 2006 vol 52 prueba de impacto charpy, pp 51-57

3. Hibbeler R, Mecánica de Materiales. Tercera Edición. Prentice-Hall Hispanoamericana SA. México D.F., 856 paginas

4. Riley W, Mecánica de Materiales. Primera Edición. Limusa Wiley. Mexico D. F., . 708 paginas

5. Mott R. Resistencia de Materiales Aplicada. Tercera Edición. Prectice-Hall Hispanoamericana SA. Mexico D.F., 640 paginas

6. DONALD R. Askeland, Ciencia e Ingenieria de los Materiales, Tercera Edición, International Thompson Editores.WILLIAM F. SIMITH,

7. Fundamentos de la Ciencia e Ingenieria de Materiales, Tercera Edición, Mc Graw Hill. 1988

8. Norton R, Diseño de Máquinas. Primera Edición. Prentice-Hall Hispanoamericana S.A México D.F., 1048 paginas.