deteccion de fallas por cargas ciclicas y de impacto

18
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA CURSO: DISEÑO DE SISTEMAS MECANICOS DOCENTE: Ing. TELLO. RODRIGUES. J. ROLANDO TEMA: PREDICCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO ALUMNOS: LLATAS MORISAKI. A. JOSÉ SÁNCHEZ HORNA. V. MARTÍN IMAN TINEO. J. MARTÍN CARRANZA PIZARRO. J. MANUEL

Upload: martin-horna

Post on 30-Jun-2015

1.797 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y

URBANISMO

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

CURSO: DISEÑO DE SISTEMAS MECANICOS

DOCENTE: Ing. TELLO. RODRIGUES. J. ROLANDO

TEMA: PREDICCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

ALUMNOS: LLATAS MORISAKI. A. JOSÉ

SÁNCHEZ HORNA. V. MARTÍN

IMAN TINEO. J. MARTÍN

CARRANZA PIZARRO. J. MANUEL

Page 2: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

Introducción

El diseño de elementos de maquinas por su resistencia es uno de los pasoso necesarios al

establecer las proporciones de un elemento de una maquina. Los pasos corrientes del diseño de

maquinas son: la determinación de una disposición cinemática, un análisis de fuerzas, selección de

los materiales y el proporcionamiento de las partes. El proporcionamiento de las partes puede

estar controlado por la resistencia, la rigidez, la velocidad crítica, el efecto de la corrosión, la

fabricación, la facilidad de fundición, la estabilidad, etc.

LA RESISTECIA DE UN ELEMENTO DE MAQUINA está influenciada por factores tales como la

concentración de esfuerzos, la fatiga o carga variable, el choque, el acabado de su superficie, y el

tamaño de la parte.

La concentración de los esfuerzos puede tener su origen en cualquier

discontinuidad (elevador de esfuerzos) tal como un orificio, un cambio

brusco en la sección transversal, una ranura, un canal o un defecto

superficial. un ejemplo de elevador de esfuerzos se muestra en la

figura en la cual en un elemento en tracción se ha abierto un orificio

de diámetro d. el valor del esfuerzo máximo que presenta en el borde

del orificio puede imaginarse como el esfuerzo normal nominal

multiplicado por un factor de concentración de esfuerzos Kt.

( )

Donde

P = carga axial total, lb (kg)

A = área neta de la selección trasversal que contiene el orificio, pul2

(cm2)

Kt = factor teórico de concentración de esfuerzos (o factor geométrico)

El valor de Kt es difícil de calcular en la mayoría de los casos, y frecuentemente se determina

mediante algún procedimiento experimental, tal como el análisis fotoelástico de un modelo

plástico de la parte. Bajo cargas estacionarias, los materiales dúctiles no se afectan por elevadores

de esfuerzos hasta el punto de que el análisis fotoelástico puede mostrar una redistribución de

esfuerzos hasta los elevadores de esfuerzo debida al flujo plástico del material cuando el esfuerzo

máximo llega al límite de fluencia. El efecto de un elevador de esfuerzos sobre un material frágil

tal como el hierro fundido, bajo cargas estacionarias, puede ser grave tal como lo indica un análisis

fotoelástico, ya que se presenta un flujo plástico muy pequeño o nulo. Bajo cargas repetidas, sin

Page 3: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

embargo, la resistencia a la fatiga aun en materiales dúctiles puede decrecer enormemente

debido a la concentración de esfuerzos.

La sensibilidad a la entalla q del material puede usarse para determinar el factor de reducción de

la resistencia a la fatiga o factor real de concentración de esfuerzos Kf en función del factor

teórico de concentración de esfuerzos para el caso de cargas repetidas. Los valores de Kt y q

pueden encontrarse en el libro “stress concentration factor” de R. E. Peterson, y en la Literatura

que trata este asunto.

o ( – 1)

Donde

q = valor experimental de la sensibilidad a la entalla debida a la concentración de esfuerzos. Los

valores van desde 0 hasta 1,0.

Kt = valor teórico del factor de concentración de esfuerzos. Los valores medios van desde 1,0 a 3,0.

Pero pueden ser superiores a 3,0.

Kf = factor real de concentración de esfuerzos para determinar la reducción de la resistencia a la

fatiga del material.

CLASIFICACION DE LOS ESFUERZOS CICLICOS O VARIABLES

Los esfuerzos variables pueden clasificarse como invertidos, repetidos, fluctuantes y alternados,

como se muestra en la figura. El esfuerzo máximo es el valor algebraico y el esfuerzo mínimo es el

menor valor algebraico de un esfuerzo variable. El esfuerzo medio Sv es el aumento o la

disminución del esfuerzo por encima o por debajo del esfuerzo medio

[ ( ) ( )]

[ ( ) ( )]

Page 4: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

El límite de fatiga de un material se determina experimentalmente rotando una probeta que se

mantiene en flexión. En la figura se presentan unas curvas típicas que muestran la resistencia la

fatiga de un material ferroso y de uno no ferroso. Notar que

el límite de fatiga de esta probeta particular de acero está

bien definido en unas 35 500 psi, mientras que la probeta de

aluminio no tiene un límite de fatiga bien definido. El valor

del límite de fatiga de 35 500 para la probeta de acero es en

carga con inversión en el cual la fibra extrema es forzada

alternativamente por cantidades iguales de tracción y

compresión. Para evitar confusión, el término “limite de

fatiga” se usara únicamente para flexión con inversión. Para

los otros tipos de carga se usara el término “Resistencia a la

fatiga” cuando se quiera hacer referencia a la resistencia del

material a la fatiga. El valor de la resistencia a la fatiga será

diferente del límite de fatiga para otros tipos de carga, y

tambien sera diferente si la probeta esta sometida a carga

variable devida a torsion o a cargas axiales.

Una forma de dibujar la resistencia a la fatiga en funcion del

esfuerzo medio para diferentes tipos de carga, la proporsiona

el diagrama de GOODMAN que muestra la fig 6-4 Cada

material ensayado tiene su propio diagrama de GOODMAN. Sin enbargo, si no se dispone de datos

de ensayos, pueden construirse diagramas de GOODMAN aproximadamente para materiales

Ductiles suponiendo que el limite de fatiga bajo carga invertida es aproximadamente igual a la

mitad de la ultima resistencia del material.

Mas resientemente, los datos sobre resistencia a la fatiga se han dibujado en la forma que

muestra la fig 6-5. Esta grafica muestra la relacion entre la linea de GOODMAN y la linea, un poco

mas conservadora, de SODERBERG como base para el diseño. Aplicando un factor de seguridad

apropiado N al limite de fatiga y a la resistencia a la

fluencia, puede trazarse la linea paralela a la

linea de SODERBERG AB como muestra la fig 6-6, La

linea puede considerarce entonces como la

linea para un esfuerzo seguro. De la geometria de

la grafica puede demostrarse que para comvertirla

en una ecuacion de diseño experimental del limite

de fatiga bajo flexion con invercion debe

redusirce por efecto de tamaño, superficie, y tipo

de carga variable si es de torsion o axial en vez de

flexion. El esfuerzo variable calculado debe

aumentarse por medio del factor real de

Page 5: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

concentracion de esfuerzos para materiales ductiles. Para materiales fragiles el factor teorico

de concentracion de esfuerzos debe aplicarse al esfuerzo medio y al esfuerzo variable.

Para materiales ductiles en tracción o comprensión.

Para materiales fragiles.

Para materiales dúctiles en corte.

Donde:

= limite de fluiencia en traccion o comprencion; debe tener el mismos signo del esfuerzo

medio .

= Esfuerzo normal medio, psi (kg/cm2)

= Esfuerzo cortante medio, psi (kg/cm2)

= Esfuerzo normal nariable, psi (kg/cm2)

= Esfuerzo cortante variable, psi (kg/cm2)

= Limite de fatiga del material en flexion con inversion,, psi (kg/cm2)

= Factor real de consentracion de esfuerzos basados en la sensibilidad a la entalla del

material.

= Factor real de consentracion de esfuerzos basado en la sensibilidad a la entralla del material.

= Factor de correccion para carga diferente a la flexion con invercion.

= 0,7 para carga axial invertida.

= 0,6 para carga torsional invertida.

= Factor de correccion por tamaño, ya que la probeta normal del ensayo tiene un diametro.

= 0.85 para partes cuyo tamaño va de

pul a 2 pul.

= Factor de correccion por superficie maquinada y para una superficie, ya que la probeta del

ensayo es pulida.

Algunos valores de para una superficie maquinada y para una superficie laminada en caliente se

muestran a continuacion.

Page 6: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

Superficie laminada

Superficie laminada en

caliente

60.000 psi 0.91 o.72

70.000 psi 0.90 0.68

80.000 psi 0.88 0.62

90.000 psi 0.86 0.58

100.000 psi 0.85 0.55

110.000 psi 0.84 0.50

120.000 psi 0.82 0.48

150.000 psi 0.78 0.38

200.000 psi 0.72 o.30

= Factor de seguridad para tener en cuenta factores tales como variaciones en las propiedades

del material, incertidumbre de carga, certeza de las hipotesis, mano de obra,posibles reducciones

en su vida util, costo de las paradas para mantenimiento, carencia de datos experimentales, etc. El

Valor de va desde cerca de 1.25 hasta 3.0 para diseños ordinarios, dependiendo de que se

tengan condiciones bien definidoas o de que existan incertidumbres considerables. Pueden usarse

valores de superiores a 3 cuando la incertidumbre es bastante alta y las consecuencias de que

una falla son muy serias. La selección de es asunto de juicio.

EL ESFUERZO CORTANTE MAXIMO EQUIVALENTE. ( ), cuando se tiene un esfuerzo

cortante variable, puede determinarse usando la teoria de los esfuerzos combinados. El esfuerzo

normal equivalente , es

(

)

El esfuerzo cortante equivalente, , es

(

)

Nota: Hacer = 0.6 en esta ecuacion cuando se usen material ductiles, y usar = (0.6) ( )

El esfuerzo cortante máximo equivalente ( ), al diseñar con materiales dúctiles, es

( ) √(

)

(

)

Esta puede igualarse a ⁄ para usarla en la ecuación de diseño,

Page 7: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

⁄ √(

)

(

)

Notar que debe usarse para esta ecuación.

El esfuerzo normal máximo equivalente que debe usarse cuando se diseña con materiales frágiles

es

( )

√(

)

(

)

Esta puede igualarse a δy/N para usarla en una ecuación de diseño

√(

)

(

)

El valor del límite de fluencia en corte, δys, que debe usarse en la ecuación para el esfuerzo

cortante equivalente, δes, que puede tomarse como 0,6 veces el límite de fluencia en tracción. Esto

está de acuerdo con los ensayos experimentales de corte por torsión. No obstante, el valor del

límite de fluencia en corte, δys, puede tomarse como 0,5 veces el límite de fluencia en tracción al

usarlo en la ecuación de diseño. Esta ecuación se basa en la teoría de falla por corte máximo, la

cual considera un elemento en tracción simple.

RESISTENCIA A LA FATIGA

La fatiga es inherentemente probabilista (es decir, existe un gran rango de rendimiento en las

probetas preparadas con los mismos materiales). En problemas y casos de estudio anteriores se

escribió un enfoque valioso llamado "el escenario en el peor de los casos". Para aplicar éste

enfoque de la fatiga, un diseñador seleccionaría acabados superficiales, tamaño de las muesca,

tamaño inicial de los defectos. etc., que minimicen la resistencia a la fatiga del espécimen

propuesto. No obstante, este proceso resultaría necesariamente en especímenes a la fatiga con

cero resistencia, una situación que no ayuda a los diseñadores. Así, la información acerca de la

fatiga con frecuencia refleja el escenario en el mejor de los casos, y al diseñador se le advierte que

se debe tener mucho cuidado al aplicar las teorías de diseño a la fatiga en situaciones críticas.

DIAGRAMAS S-N La información de los experimentos de la flexión alternante se grafican como la resistencia a la fatiga contra el logaritmo del número total de ciclos a la falla N,' para cada espécimen. Estas gráficas se llaman diagramas S-N o diagramas Wóhler en honor de August Wóhler, un ingeniero alemán que publicó su investigación acerca de la fatiga en 1870. Constituyen un método estándar

Page 8: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

para presentar información relativa a fatiga, y son muy comunes e informativas. Dos patrones generales para dos clases de material, con límites a la fatiga y sin ellos, se presentan cuando se expresa gráficamente la resistencia a la fatiga contra el logaritmo del número de ciclos a la falla.

REGIMENES DE FATIGA En el diagrama S-N se indican diferentes tipos de comportamiento, en la medida en que el número de ciclos a la falla se incrementa. Los dos regímenes básicos son fatiga de bajo ciclaje (generalmente menor de 103 ciclos de esfuerzo) y fatiga de alto ciclaje (más de 103 pero menos de 106 ciclos de esfuerzo). La pendiente de la línea es mucho menor en la fatiga de bajo ciclaje que en la de alto ciclaje. FATIGA DE BAJO CICLAJE La fatiga de bajo ciclaje es cualquier carga que causa la falla debajo de I 000 ciclos. Este tipo de carga es común. Una variedad de dispositivos, como las cerraduras de las guanteras en los automóviles, los pernos en las llantas de los camiones y los tornillos de ajuste que dejan los sitios de los engranes en los ejes, tienen ciclos menores de I 000 veces durante sus vidas útiles. Sobrepasar 100 ciclos significa que estos dispositivos durarán tanto como se pensó. Para componentes en el rango de bajo ciclaje los diseñadores ignoran los efectos de fatiga por completo o reducen el nivel del esfuerzo permisible. Ignorar la fatiga parece un enfoque poco adecuado. FATIGA DE ALTO CICLAJE DE DURACION FINITA En muchas aplicaciones el número de ciclos de esfuerzo que se aplica sobre un componente durante su vida útil se sitúa entre 103 y 107. Algunos ejemplos son las bisagras de las puertas de automóviles, los paneles de aeronaves y los bates de aluminio para el softball. Como la resistencia baja rápidamente en este rango, un enfoque que no toma en cuenta esta baja es inherentemente defectuoso.

Page 9: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

FATIGA DE ALTO CICLAJE DE DURACION INFINITA Diversas aplicaciones demandan una vida infinita, que se define para los aceros como el número de ciclos arriba del cual se determina un límite a la fatiga, usualmente 106 ciclos. Si un material no tiene un límite a la fatiga, no se puede diseñar para una vida infinita. Así, las aleaciones de aluminio, por ejemplo, siempre se diseñarán para una vida finita Sin embargo, en aleaciones ferrosas y de titanio se sigue un enfoque de diseño de vida infinita. Básicamente, el diseñador determina un límite a la fatiga y usa esta resistencia como el esfuerzo permisible. Después, siguen el tamaño y la selección de componentes, al igual que un diseño estático.

EJEMPLO

Una viga en voladizo, hecha de acero C-1025 estirado en frio y de sección transversal circular,

como muestra la figura, está sometida a una carga que varía de –F a 3F. Determinar la carga

máxima que puede soportar el elemento para una vida indefinida usando un factor de seguridad N

= 2. Un modelo fotoelástico indica que el factor teórico de concentración de esfuerzos es Kt = 1,42

y la sensibilidad a la entalla para un radio de 1/8 pul para este material es q = 0.9. Hacer el análisis

en el cambio de dirección transversal, únicamente.

Solución

Para el acero C-1025 estirado en frio:

Su =80000 psi

Sy = 68000 psi

Sr = 40000

Kf = 1+ q(Kt – 1) = 1 + 0.9(1.42 – 1) = 1,38.

A = 1, ya que el elemento está cargado en flexión.

B = 0.85 factor de corrección por defecto de tamaño.

C = 0.88 factor de corrección por defecto de superficie.

Page 10: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

El momento de flexion en el cambio de sección transversal varia de -5F a 15F. el esfuerzo de

flexion en el punto A, en función del momento flector, es

Entonces:

( ) ( )( )

[ ( )]

( ) ( )( )

[ ( )]

Reemplazando en

( )( )

( )( )( ) y F = 11,5 lb

FACTORES QUE MODIFICACION DEL LIMITE DE FATIGA

En los experimentos a la fatiga, se suponen las mejores circunstancias para la promoción de vidas largas a la fatiga. No obstante, dicha situación no se garantiza en aplicaciones de diseño, así que el límite a la fatiga del componente se debe modificar o reducir a partir del límite a la fatiga del material en el mejor de los casos. El límite a la fatiga modificado se expresa como:

Page 11: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

FACTOR DE ACABADO DE LA SUPERFICIE El espécimen que se muestra en la figura tiene una superficie altamente pulida, con un pulido final en la dirección axial que alisa las estrías circunferenciales. Usualmente los elementos de máquinas no presentan un acabado de alta calidad. El factor de modificación para incorporar el efecto de acabado depende del proceso usado en la generación de la superficie, y de la resistencia a la rotura.

ENSAYOS DE IMPACTO

Los ensayos de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material de absorber

cargas instantáneas, por el trabajo necesario para producir la fractura de la probeta de un solo

impacto. Este nuevo concepto tampoco nos ofrece una propiedad definida del material, sino que

constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos

Page 12: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

realizados en idénticas condiciones, dado que no admite otra condición de comparación o

semejanza. Por lo tanto, deben tenerse muy en cuenta los distintos factores que producen el

efecto fragilizante.

Resumiendo, diremos que el objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una máquina o

estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo, muy especialmente

cuando las piezas experimentan concentración de tensiones por cambios bruscos de sección,

maquinados incorrectos, bajas temperaturas, o bien verificar el correcto tratamiento térmico del

material ensayado.

b) EFECTOS FRAGILIZANTES

La falla por fragilidad resulta, ocasionada por diversos factores que, actuando juntos o

separadamente, modifican las características mecánicas de los metales.

De los muy variados estudios realizados pudo comprobarse que tres son las causales más

importantes de aquellas variaciones: la variación en la velocidad de la deformación producida por

la rapidez en la aplicación de la carga, la aparición de estados complejos de tensiones generados

por el "efecto de forma", y las bajas temperaturas que disminuyen la tenacidad de los metales.

Teniendo en cuenta que los mecanismos de deformación se desarrollan en el tiempo, es evidente

que una variación brusca de la carga aplicada puede demorar el inicio de la deformación plástica y,

aún más, limitarla a valores inferiores a los observados en solicitaciones estáticas.

Sabemos que las entallas generan picos de tensión1, el estado crítico no se alcanza de manera

uniforme en la sección de impacto, produciendo fisuras que pueden propagarse rápidamente en

toda la sección.

Por último, como experimentalmente comprobamos que los valores de trabajo o energía

necesaria para producir la rotura varían con la temperatura, es necesario fijar lo que llamaremos

temperatura de transición, es decir, aquella en ¡a cual el material cambia su capacidad de

deformación (dúctil a frágil).

c) ENERGIA DE IMPACTO

Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o

martillos pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados

por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose la

experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas según que la probeta rompa por

flexionamiento (flexión por choque) o que su rotura se alcance por deformación longitudinal

(tracción por choque). Los valores obtenidos en estos ensayo son únicamente comparables, en

Page 13: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

materiales con propiedades similares ya sean siempre dúctiles o frágiles, cuando se realizan sobre

el mismo tipo de probeta y en idénticas condiciones de ensayo.

La máquina de ensayo determinará el trabajo absorbido por el material cuando éste es roto de un

solo golpe por la masa pendular y su valor en kgmf o Joule, o relacionándolo con la sección o

volumen de la probeta, según el método nos indicará la resistencia al choque o capacidad del

material para absorber cargas dinámicas de impacto (resiliencia).

El principio de funcionamiento de las máquinas utilizadas es el que ilustra esquemáticamente la

figura 3, en donde una masa o peso G asegurada a una barra que puede girar libremente sobre un

eje 0, es elevada a una altura h1, desde su posición vertical de reposo, la que también es posible

indicar por el ángulo α1

Figura 3

Si en estas condiciones se la deja caer y en el punto P, ubicado sobre la vertical del desplazamiento

del péndulo, se coloca una barra de un material determinado, la masa al chocar con ella producirá

su rotura, si la energía que posee el péndulo es mayor que la necesaria para alcanzarla, en cuyo

caso continuará su trayectoria elevándose hasta una altura h2 indicada también por el ángulo α2

El trabajo empleado entonces en romper la barra será la diferencia entre la energía inicial del

péndulo y la que posee al final de su carrera.

Ao = Al - A2

Page 14: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

Al = G. h1 y A2 = G. h2

Ao = G (h1 - h2)

y en función de los ángulos, tenemos: h1 = OP - OA en donde OP es el brazo del péndulo igual a R.

Del triángulo OAB

OA = R. Cos(α1) reemplazando

h1 = R - R cos α1 = R (1 – cos α1) Procediendo en igual forma para la altura después del choque

h2 = R - R cos α2 = R (1 - cos α 2)

reemplazando estos valores en la diferencia de trabajos, nos queda

Ao = GR (1 - cos α1) - GR (1 – cos α 2)

Ao = GR (cos α2 – cos α1)

El valor numérico en kilográmetros o en Joule del trabajo gastado para producir la rotura queda

indicado sobre una escala convenientemente graduada que posee la máquina, o bien resulta de la

fórmula anterior en donde los valores de los ángulos se miden sobre un cuadrante que se

encuentra en la parte superior de aquélla.

El trabajo o energía registrada será considerada aceptable cuando las pérdidas por fricción entre

las partes metálicas de la máquina, para la marcha en vacío, sea inferior al 0,4 % de la energía

máxima.2

d) METODOS DE ENSAYO

Los métodos propuestos por Izod en 1903 y por Charpy en 1909, consisten en romper el material

que se ensaya, bajo un efecto dinámico que se produce por el impacto sobre el mismo de una

masa de peso y velocidad conocida. En ambos casos la rotura se produce por flexionamiento de la

probeta, por lo que se los denomina flexión por choque.

Para el estado de tensión creado por la solicitación dinámica de choque, la velocidad de aplicación

de carga estandarizada es superior a la crítica de rotura, por lo que la deformación será localizada

con epicentro en la entalla, figura 4a.

Page 15: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

Figura 4

Dada la gran dificultad que existe en la evaluación del volumen deformado, es que el trabajo total

de deformación no se define como la energía por unidad de volumen como lo hacíamos en

tracción estática "Capacidad de Trabajo de Deformación", sino por la energía requerida para

provocar la rotura por unidad de área de la sección transversal entallada o resiliencia, o

directamente por la energía absorbida.

d-1) FLEXION POR CHOQUE SOBRE BARRAS SIMPLEMENTE APOYADAS (METODO CHARPY)

Con la finalidad de que el material esté actuando en las más severas condiciones, el método

Charpy utiliza probetas entalladas (estado triaxial de tensiones) y velocidades de deformación de

4,5 a 7 m/s, siendo el entorno recomendado por las normas el de 5 a 5,5 m/s.

Figura 5

Las probetas se colocan, como muestra la figura 5, simplemente apoyadas sobre la mesa de la

máquina y en forma tal que la entalladura se encuentra del lado opuesto al que va a recibir el

Page 16: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

impacto. En la misma figura se puede observar la correcta posición del material como así también

la forma y dimensiones de los apoyos y de la pena del martillo pendular.

Respecto al "filo" o extremo de la masa pendular, la norma A.S.T.M. E-23 indica que debe

presentar un ancho de aproximadamente 4 mm, redondeado con un radio de 8 mm.

Las probetas utilizadas por Charpy eran de sección cuadrada de 30 mm de lado por 160 mm de

largo y la entalladura de 1 mm de ancho con una profundidad de 15 mm terminaba en un orificio

de 2 mm de diámetro; para sus ensayos la luz entre los bordes de los apoyos era de 130

milímetros. Estas probetas son muy poco utilizadas en la actualidad, siendo reemplazadas por

otros tipos que mantienen, en algunos casos, idéntica forma pero de menores dimensiones, las

que varían de acuerdo a las normas utilizadas.

La elección del tipo de probeta depende del material a ensayar, adoptándose para cada caso la

que dé resultados más satisfactorios; en general se emplean las de entalladuras más profundas y

de menor ancho para los metales más dúctiles.

Figura 6

El impacto sobre las probetas de sección trapezoidal debe darse en la cara más angosta.

La resiliencia o resistencia al choque resulta, según este método, el trabajo gastado por unidad de

sección transversal para romper al material de un solo golpe:

Page 17: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

Resiliencia = K = Ao/S (kgfm/cm2 0 joule/cm2)

En la actualidad se tiende a evitar el cálculo de la resiliencia, expresándose los resultados de

ensayos simplemente en términos de energía de rotura.

d-2) FLEXION POR CHOQUE DE BARRAS EMPOTRADAS (METODO IZOD)

Figura 8

En el método Izod la probeta se coloca en voladizo y en posición vertical, siendo asegurada por la

mesa de apoyo de modo tal que la entalladura quede en el plano de las mordazas; en estas

condiciones el extremo del martillo golpea al material a 22 mm de las mismas, como indica la

figura pudiendo realizarse más de un ensayo sobre la misma probeta, cuando se emplean las del

tipo b de la figura 8, la que también puede construirse de sección circular, que presenta la ventaja

de que permite determinar la energía de rotura sobre caras o generatrices opuestas y a diferentes

profundidades de la muestra

Page 18: DETECCION DE FALLAS POR CARGAS CICLICAS Y DE IMPACTO

La probeta standard Izod es la indicada en la figura 8, pudiéndose emplear la redonda de la figura

9, que da resultados similares y, por lo tanto, comparables con los obtenidos con la normal,

presentando la ventaja sobre ésta de su mayor facilidad de maquinado.

Figura 9

En estas pruebas, los valores de ensayos se dan directamente por la energía de Impacto en kgfm o

Joule, no siendo recomendable su uso para temperaturas distintas de la ambiente.