01_impacto
DESCRIPTION
Informe sobre impactoTRANSCRIPT
ENSAYO DE IMPACTO CHARPY
JOSE HERNANDO DIAZ [email protected]
CARLOS ANDRES RAMIREZ [email protected] TORRES PLAZA
[email protected] CAMILO MORTIGO RINCON
INTRODUCCIÓN
Este informe contiene datos, resultados y análisis del ensayo de impacto charpy realizado en el laboratorio de ensayos mecánicos. Este ensayo se realiza con el fin de analizar el comportamiento del material frente a cargas dinámicas con altas velocidades de impacto y a variaciones de temperatura. Para materiales dúctiles con el cambio de temperatura en descenso en su escala de medida, el material se fragiliza y quiebra más fácil.
OBJETIVOS
GENERAL.
Analizar el comportamiento mecánico y la energía de absorción de impacto del material en función de la temperatura mediante el impacto CHARPY.
ESPECÍFICOS.
Realizar el ensayo de impacto CHARPY a probetas normalizadas a -15 ºC y 40 ºC.
Identificar el tipo de fractura que presenta el material ya sea fibrosa o granular.
Tabular y graficar los resultados obtenidos en el ensayo.
MARCO TEORICO
El ensayo de impacto es un ensayo destructivo en el que se analiza el comportamiento de materiales, en especial metálicos, a diferentes temperaturas, las cuales provocan que el material se comporte frágil o dúctil.
La propiedad que se presenta en este tipo de ensayo es la tenacidad. La tenacidad es la capacidad que tiene el material de absorber energía antes de romperse.
El ensayo de impacto Charpy hace uso de una máquina como la que se muestra en la figura 1.
Los otros análisis que se realizan con la prueba de impacto es el tipo de fractura de la probeta, bien sea frágil o dúctil.
Figura 1. Máquina de impacto Charpy. [1]
Figura 2. Probeta normalizada para ensayo de impacto Charpy. [2]
La máquina de impacto Charpy se utiliza para golpear y fracturar una probeta normalizada como se muestra en la figura 2. La norma que estandariza la geometría de la probeta para el ensayo de impacto es la ASTM E-23.
La probeta se ubica en la parte inferior de la máquina con la entalla del otro lado de la zona de impacto del martillo. Esta configuración ocasiona que la probeta se fracture por la cara entallada. La fractura puede ser
completa o incompleta, es decir, la probeta queda doblada.
Antes del impacto, el martillo de la máquina tiene una energía asociada a la suma de la energía potencial más la energía cinética. En el punto más alto, el martillo tiene una energía potencial gravitacional que hace que inicie su caída. En el punto al nivel de la probeta, el martillo tiene asociada una energía debida a la velocidad del matillo, esta energía es la cinética.
Para la medición de la energía absorbida en el impacto, hay que tener en cuenta la energía que se pierde debido a la fricción del martillo con el aire. Esto se mide utilizando la máquina sin probeta y observar en el medidor, cuánta energía se registró. Luego se hace la prueba con la probeta y registrar el valor observado por el indicador de la máquina. Por último, la energía absorbida por la probeta en el impacto es la diferencia de la energía registrada por la máquina cuando golpea la probeta y la energía asociada a la fricción del péndulo y el aire. Esto se muestra en la ec. 1.
E=Ei−E f (1)
E es la energía absorbida por la probeta, Ei es la energía mostrada por el indicador de la máquina cuando golea la probeta y Ef es la energía asociada a la resistencia del aire.
El ensayo de impacto se realiza para varias temperaturas con el fin de graficar los resultados de energía absorbida en función de la temperatura de realización del ensayo. Esto se grafica con el fin de estimar la temperatura de transición como la que se muestra en la figura 3.
Figura 3. Gráfica de energía de impacto absorbida en función de la temperatura a la cual se realizó para varios
materiales. [3]
La temperatura de transición es la región de la gráfica que indica de manera estimada si el material se fractura de manera frágil con poca energía de impacto o si el material se vuelve tenaz y absorbe más energía de impacto.
La temperatura de transición para varios metales, está alrededor de 0 ºC. Para metales dúctiles, si se baja la temperatura por debajo de 0 ºC, éstos materiales se
comportan como frágiles. Si se aumenta la temperatura, el material se comporta como un material dúctil.
La velocidad antes del impacto despreciando pérdidas por fricción se puede calcular con la siguiente expresión:
v=√2gh (2)
Donde g es la aceleración debida al campo gravitacional y h es la altura del péndulo respecto a la ubicación de la probeta.
Para hacer un análisis de resultados aceptable por la dispersión de los resultados en el ensayo de impacto como mínimo se deben hacer tres pruebas con el mismo material y a la misma temperatura. En la temperatura de transición los resultados son aún más dispersos.
El otro método utilizado en el ensayo de impacto es el IZOD que hace uso de una probeta con las mismas características geométricas estandarizadas por la ASTM E-23. La diferencia con el impacto CHARPY es que la probeta se ubica en voladizo. Este método se usa frecuentemente en el Reino Unido.
MATERIALES Y EQUIPOS
- Máquina de impacto Charpy.
- Probetas.
- Nitrógeno líquido.
- Calentador.
- Medidor de temperatura.
- Elementos de protección personal.
- Metanol.
RESULTADOS
El ensayo se realizó en la máquina que se muestra en la figura 4. En ella se observa el indicador circular que nos da la medida de la energía de impacto en kpm que es kilogramo fuerza – metro.
La condición esencial para la prueba es la temperatura. Ésta es la temperatura a la cual la probeta se somete al impacto. Para controlar la temperatura de la probeta se utilizó por un lado nitrógeno líquido para bajarla y por el otro lado se usó el calentador a base de agua. Los materiales se muestran en la figura 5 y 6.
Para realizar los ensayos con las temperaturas indicadas, se debe tener en cuenta que para aumentar o disminuir la temperatura de la probeta se hace en recipientes externos a la máquina de impacto. Como para pasar la probeta del recipiente a la máquina hay un delta de tiempo, éste puede afectar en los resultados. Para solucionar este se tiene un tiempo estimado de cinco segundo de margen de error para llevar la probeta hasta las mordazas. Esto está consignado en la ASTM E-23.
Luego del impacto hay que aplicarle a la zona de fractura lubricante para que no se corroa con el ambiente.
Figura 4. Máquina de impacto Charpy. Marca: veb werkstoffprüfmaschinen. [4]
Figura 5. Nitrógeno líquido usado para enfriar la probeta. [5]
Figura 6. Calentador para aumentar la temperatura de la probeta. [6]
La probeta utilizada para la prueba fue una con entalle en V como la primera que se muestra en la fig. 2.
Composición química del material espécimen:
Tabla 1. Composición química de la probeta.
Composición
Fe 99.34
C 0.062
Mn 0.41
Si 0.001
P 0.005
S 0.032
Ni 0.032
Cr 0.007
Cu 0.026
V 0.001
Mo 0.009
W 0.048
Co 0.016
Total99.98
9
En vacío, es decir, sin ninguna probeta, el péndulo registró una energía perdida a causa de la fricción con el aire de 0.19 kpm. El valor de cada ensayo con la probeta, hay que restarle la energía perdida que se mencionó.
Para llevar a cada una de las temperaturas para las cuales se le va a hacer a la probeta el impacto destructivo se utilizó agua, nitrógeno y metanol. Cuando se llega a tales temperaturas, tanto con el nitrógeno líquido como con agua caliente, hay que mantener la probeta cinco minutos. Ésta temperatura se llama temperatura de estabilización.
El rango para el error de la lectura de la temperatura es de ± 1 ºC. Esto es según la norma mencionada anteriormente.
A continuación se presentan los resultados tabulados de temperatura y energía de impacto.
Tabla 2. Valores de temperatura por debajo de 0 °C y energía de impacto.
T (°C) Energía absorbida (kpm)
-15,1 0,54
-14,9 0,48
-14,8 0,62
Tabla 3. Valores de temperatura por encima de 0 °C y energía de impacto.
T (°C) Energía absorbida (kpm)
40,8 15,86
40,8 17,90
40,7 3,13
40,3 2,83
Tabla 4. Valores de temperatura por encima de 0 °C y energía de impacto.
T (°C) Energía absorbida (kpm)
39,5 2,92
39,4 18,22
39,2 2,97
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Las gráficas de las tablas 2, 3 y 4 se presentan a continuación respectivamente.
-15.2 -15.1 -15 -14.9 -14.8 -14.70
0.10.20.30.40.50.60.7
Temperatura (ºC)
Ener
gía
abso
rbid
a (k
pm)
Figura 7. Gráfica de energía absorbida en función de temperaturas bajas.
40.2 40.3 40.4 40.5 40.6 40.7 40.8 40.90
5
10
15
20
Temperatura (ºC)
Ener
gía
abso
rbid
a (k
pm)
Figura 8. Gráfica de energía absorbida en función de altas temperaturas.
39.15 39.2 39.25 39.3 39.35 39.4 39.45 39.5 39.550
5
10
15
20
Temperatura (ºC)
Ener
gía
abso
rbid
a (k
pm)
Figura 9. Gráfica de energía absorbida en función de temperaturas altas.
-20 -10 0 10 20 30 40 500
5
10
15
20
Temeratura (ºC)
Ener
gía
abso
rbid
a (k
pm)
Figura 10. Gráfica general de energía absorbida en función de diferentes temperaturas.
De la figura 7 se observa que a bajas temperaturas el material absorbe muy poca cantidad de energía de impacto tendiendo a un comportamiento frágil que es característico de los aceros a bajas temperaturas. Este material por su composición química, presenta propiedades dúctiles en condiciones ambientales. En esta misma figura no se aprecia una temperatura de transición frágil/dúctil.
Figura 11. Aspecto de la superficie de fractura frágil y dúctil en una prueba de impacto CHARPY. [8]
El aspecto superficial de la fractura en la prueba relacionada con la figura 7, es vista como la probeta de la izquierda de la figura 11. La característica de una fractura frágil es granular.
En la figura 8 se observa claramente la temperatura de transición y la curva que ilustra el cambio de comportamiento frágil a dúctil. Está en un rango de 40.5
ºC y 41 ºC. En esta zona se da un cambio brusco en la absorción de energía. Observando figura 11, el resultado obtenido en la fractura es una mezcla de comportamiento frágil y dúctil. Se detectan gránulos y fibras en la misma y, a su vez, no hay un rotura completa en la probeta; se flecta.
En la figura 9 se observa una dispersión muy alta en cuanto al valor de la energía absorbida. Se plantean las siguientes hipótesis:
La probeta cuya energía de absorción es la más alta, corresponde a una probeta de un material distinto.
Pudo haber tenido una inclusión, una porosidad o una no uniformidad en la zona de impacto, es decir, en la muesca.
La figura 10 ilustra el comportamiento del material en el rango frágil y dúctil. Se puede apreciar con mayor claridad la curva de transición, que, al igual que en la figura 8, oscila en los valores de 40,5 ºC y 41 ºC.
CONCLUSIONES
Efectivamente la fractura granular corresponde a un comportamiento frágil a bajas temperaturas. De manera análoga, la fractura fibrosa corresponde a un comportamiento dúctil a altas temperaturas.
La energía de absorción es muy baja en comportamiento frágil. De igual manera, es muy alta en comportamiento dúctil.
Coincide que se tomó la temperatura de transición para aplicar el ensayo (40 ± 1º C), por lo que los resultados obtenidos son muy dispersos.
Al ser un acero de bajo carbono (1006), presenta propiedades dúctiles, por lo que su energía de absorción será mayor de la que se obtuvo en el experimento.
REFERENCIAS
A. FORERO, “Metalurgia práctica”, cuarta edición, editorial Universidad Nacional de Colombia, Colombia.
[1]
http://www.utp.edu.co/~gcalle/Contenidos/Impacto.htm
[2]
http://www.monografias.com/trabajos14/choque/choque.shtml
[3]
http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/marquezronald/?page_id=256
[4] [5] [6]
Imagen tomada en el laboratorio de ensayos mecánicos de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá.
[7] https://law.resource.org/pub/us/cfr/ibr/003/astm.e23.1982.pdf
[8] http://www.analisisdefractura.com/fracturafragil.htm