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ENSAYO DE IMPACTO MÉTODO DE CHARPY
YICETH BERMUDEZ ALBAN
IVAN DIAZ ANDRADE LEIDY GARZON MOLINARES KATHLEEN MENDEZ MOLINA ANDRES RODELO SEGURA
GRUPO DD
25/09/2012
TABLA DE CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCION ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
OBJETIVOS ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
MARCO TEORICO --------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
MATERIALES Y EQUIPOS------------------------------------------------------------------------------------------ 5
PROCEDIMIENTO Y MONTAJE ---------------------------------------------------------------------------------- 6
MODELO MATEMÁTICO ------------------------------------------------------------------------------------------ 7
CÁLCULOS ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 9
CONCLUSIÓN ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 15
ANEXOS ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------16.
BIBLIOGRAFÍA ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 17
INTRODUCION
En el siguiente laboratorio daremos a conocer más acerca de la prueba de
impacto, que es la energía necesaria para romper una probeta sometida a una
carga de choque, por el método de charpy el cual consiste en la rotura de una
probeta entallada colocada entre dos apoyos mediante un solo golpe.
El creador de esta prueba fue el francés Agustín Georges Albert Charpy (1865-
1945). A través del mismo se puede conocer otra propiedad importante de los
materiales que se evidencia en este ensayo es la ductilidad y la fragilidad. Se
considera materiales dúctiles a aquellos que pueden deformarse
considerablemente antes de llegar a rotura. Para este tipo de materiales existen
dos teorías, la teoría de la máxima tensión cortante y la teoría de la máxima
energía de distorsión. Y Se dice que un material es frágil cuando es muy poca la
deformación que presentan antes de romperse. Para este tipo de materiales
existen dos teorías, la teoría del máximo esfuerzo normal y el criterio de falla de
Mohr.
La falla de un material está íntimamente ligada con su capacidad de absorber la
energía cinética del cuerpo que produce impacto, la cual depende de la capacidad
de deformación del material antes de la falla o ruptura. Por lo anterior se deduce
que los materiales dúctiles tienen la capacidad de absorber y almacenar más
energía que los frágiles
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
Determinar la energía absorbida por la probeta y compararla con el valor
tomado en la práctica.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Estudiar el comportamiento de los diferentes materiales utilizados en el
laboratorio.
Determinar la velocidad del ensayo al igual que la fuerza que se utilizó en
cada probeta.
Observar la forma de las probetas después de los impactos.
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MARCO TEÓRICO
El método charpy, emplea el principio del péndulo para la aplicación de la carga.
Normalmente se utilizan pequeñas probetas ranuradas, quebradas en flexión. La
probeta queda apoyada como una viga simple. Los resultados en los ensayos de
impacto, en muchos materiales, son muy sensitivos a los cambios de temperatura
dentro del rango atmosférico normal. Por esta razón la temperatura del ensayo es
un dato importante.
Este ensayo permite calcular la resistencia que ofrece un cuerpo a la penetración
por acción dinámica. El ensayo se trata de golpear y romper una probeta
seleccionada, maquinada o pulida superficialmente y en forma usual ranuradas,
midiendo a su vez la energía absorbida al romperse la probeta.
Los mecanismos de fracturas se dividen en frágiles y dúctiles y están íntimamente
ligados a la cantidad de deformación plástica que antecede a la rotura. La fractura
en los metales ocurre generalmente por uno de los siguientes mecanismos:
FRACTURA DÚCTIL
En el que se distinguen tres etapas: nucleación de microfisuras o de cavidades,
crecimiento a nivel micro estructural de las cavidades o de las microfisuras,
coalescencia y crecimiento de microfisuras hasta la rotura final. Este mecanismo
de falla se forma a debido a que las partículas finas que conforman el material
pierden coherencia con la matriz cuando se presenta la deformación plástica a
causa de esfuerzos cortantes, lo que induce la formación de micro vacíos, los
cuales se unen para formar una superficie de fractura continua.
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DESCOHESIÓN TRANSGRANULAR (CLIVAJE)
Es un mecanismo de fractura frágil en el que se evidencian cortes de planos de
superficie lisa y brillante. La propagación de la grieta se relaciona con la sucesiva
y repetida rotura de enlaces atómicos a lo largo de planos cristalográficos bien
definidos. Este tipo de fractura se dice que es Transgranular, debido a que las
grietas pasan a través de los granos que constituyen el material. Este mecanismo
genera fallas catastróficas en maquinas y estructuras debido a la alta velocidad de
propagación de las grietas.
FRACTURA INTERGRANULAR
Mecanismo de fractura frágil. La propagación de la grieta ocurre a lo largo de los
bordes del grano que constituye el material.
MATERIALES Y EQUIPOS
Máquina para ensayo de impacto.
Probetas de: Acero, bronce, cobre, aluminio y abarco.
Calibrador.
LAS DIMISIONES DE CADA PROBETA SON:
Sección transversal cuadrada de 6x6 mm
Largo de 50mm
Espesor por debajo de entalle: 4mm
Las probetas de madera serán 6: 3 fibras horizontales y 3 fibras verticales.
NORMA ASTM E-23:
La normativa ASTM E23 describe las pruebas de impacto de probetas metálicas
entalladas. En este tipo de normas se dan requisitos para muestras de ensayo,
procedimientos de prueba, informes de pruebas, máquinas de ensayos que
verifican el método utilizado, en este caso, el método de charpy.
Además, brinda pautas para determinar el porcentaje de fractura de cizallamiento
en la superficie de impacto de probetas rotas. La norma hace referencia tanto a
Charpy
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PROCEDIMIENTO Y MONTAJE ENSAYO DE IMPACTO POR EL METODO DE
CHARPY
ENERGÍA DE FROTAMIENTO
Se sitúa el péndulo hasta la posición más elevada de la máquina y se fija con
un gancho de seguridad.
Posteriormente se confirma que el dial marque un Angulo de 0° y una energía
de 0 julios.
Cuando este todo el sistema listo se procede a soltar el tornillo para liberar el
péndulo y que este inicie su oscilación.
Finalmente, cuando el péndulo alcance la altura final, es decir una oscilación
completa, se toman las lecturas del ángulo y la energía final directamente del
dial.
ENERGÍA ABSORBIDA POR LAS PROBETAS
A continuación se repite el procedimiento anterior pero colocando cada una de las
probetas en la base de la máquina, de modo que quede como una viga
simplemente apoyada y con el entalle del lado opuesto al del impacto.
Al final se tendrá los datos correspondientes a los ángulos de frotamiento y de
impacto y la energía de frotamiento e impacto, y se procede a realizar los
cálculos.
CONSIDERACIONES:
Las velocidades de deformación recomendadas por la norma están entre 5 y
5.5m/s.
El borde de la masa pendular debe tener un ancho de aproximadamente
4mm, redondeado con un radio de 8mm.
La arista del martillo charpy deberá entrar en contacto simultaneo con todo el
ancho de la cara de la probeta opuesta a la entalladura.
Velocidad del impacto modifica los valores de la energía de rotura.
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MODELOS MATEMÁTICOS
A continuación se presentan los modelos matemáticos para calcular la energía
absorbida y la resiliencia de las probetas.
Dónde:
H1: Altura inicial del péndulo.
H2: Altura final del péndulo, después del impacto.
R: Brazo del péndulo, 39cm.
Angulo después del impacto.
Dónde:
Masa del péndulo (kg) = 2.5kg
g: Aceleración de la gravedad
Et: Energía total (Julios)
Dónde:
Energía de frotamiento.
El valor calculado de la energía absorbida debe coincidir con el marcado en el dial
del equipo de impacto.
pág. 7
ENERGÍA DE IMPACTO
Dónde:
Energía de impacto
S = Área de corte de sección transversal. (Ancho de probeta x espesor debajo del
entalle.
CALCULO DE ESFUERZO
Velocidad del ensayo
Aceleración de ensayo
Fuerza de impacto
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CÁLCULOS
En esta parte del informe se encontraran todos los cálculos realizados para
obtener la energía absorbida, la resiliencia, la energía de impacto y los esfuerzos
de las probetas utilizadas dentro del laboratorio (cobre, bronce, acero, aluminio y
madera).
Para estos cálculos es necesario tener en cuenta:
Que el ángulo de frotamiento inicial es de 151º y la energía de frotamiento es
5 joules.
Las dimensiones de las probetas:
Probetas
Material Sección transv. Longitud Espesor B.E
Cobre
1 1,3cmx1,1 cm 5,5 cm 0,8 cm
2 1,3cmx1,1 cm 5,5 cm 0,8 cm
Bronce 1,1cm x 1,1cm 5,5 cm 0,9 cm
Aluminio 1,1cm x 1,1cm 5,5 cm 0,7 cm
Acero 10-40 1,1cm x 1,1cm 5,4 cm 0,8 cm
Abarco Horizontal
1 1,3cm x 1,5cm 5,5cm
2 1,5cm x 1,5cm 5,4cm
3 1,4cm x 1,4cm 5,4cm
Abarco Vertical
1 1,5cm x 1,3cm 5,6cm
2 1,3cm x 1,4cm 5,6cm
3 1,4cm x 1,2cm 5,6cm Tabla. Datos tomados en el laboratorio.
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Material Angulo de
frotamiento Energía de frotamiento
Cobre
1 103 5,7 joules
2 82 8,5 joules
Bronce 111 4,6 joules
Acero 75 9,4 joules
Aluminio 101 5,8 joules
Abarco fibras v.
1 125 2,9 joules
2 122 3,2 joules
3 81 8,9 joules
Abarco fibras h.
1 151 0,6 joules
2 151 0,58 joules
3 151 0,58 joules
Tenemos más de un valor para algunos materiales, como es el caso del
abarco, tanto en fibras horizontales como en verticales. Y en estos casos se
Procede a hallar un promedio entre ellos.
Promedio del ángulo de frotamiento del abarco en fibras verticales:
Promedio del ángulo de frotamiento del abarco en fibras horizontales:
Procedemos hallar la altura inicial y final del péndulo. Pero cabe resaltar que la
altura inicial del péndulo es estándar para todos los materiales. La única que varía
es la altura final
.pág. 10
H1= 0,39m * (1 + sen (161°- 90°))
H1= 0,75m altura inicial del péndulo
Y la altura final del péndulo para cada material:
COBRE 1: α1=151° α2=103°
H2= 0,39m * (1- cos (103°) H2= 0,47m
COBRE 2: α2= 82°
H2= 0,39m * (1- cos (82°)) H2= 0,33m
BRONCE: α2= 111°
H2= 0,39m * (1- cos (111°)) H2= 0,52m
ACERO: α2= 75°
H2= 0,39m * (1- cos (75°)) H2= 0,28m
ALUMINIO: α2= 101°
H2= 0,39m * (1- cos (101°)) H2= 0,46m
ABARCO
FIBRAS HORIZONTALES: α = 151º
H2= 0,39m * (1- cos (151°)) H2= 0,73m
FRANJAS VERTICALES: α = 109º
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H2= 0,39m * (1- cos (109°)) H2= 0,51m
ENERGIA TOTAL:
Cobre1:
ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,47m)
ET= 6,86 julios
Cobre2:
ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,33m)
ET= 10,29 julios
Bronce:
ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,52m)
ET= 5,63 julios
Acero:
ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,28m)
ET= 11,51 julios
Aluminio:
ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,46m)
ET= 7,10 julios
Abarco: Fibras horizontales: ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,73m)
ET= 0,49 julios
Fibras Verticales:
ET= 2,5kg * 9,8 m/s2 (0,75 – 0,51m)
ET= 5,88 julios
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ENERGIA ABSORBIDA:
Cobre 1=
EA= 6,86 – 0,5 EA= 6,36
Cobre 2=
EA= 10,29 – 0,5 EA= 9,79
Bronce =
EA= 5,63 – 0,5 EA= 5,13
Acero=
EA= 11,51 – 0,5 EA= 11,01
Aluminio=
EA= 7,10 – 0,5 EA= 7,05
Cobre H1=
EA= 6,86 – 0,5 EA= 6,36
Abarco:
Fibras horizontales:
EA= 0,49 – 0,5 EA= -0,01
Fibras Verticales:
EA= 5,88 – 0,5 EA= 5,38
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ENERGIA DE IMPACTO:
Cobre #1 =
Cobre #2 =
Bronce =
Acero =
Aluminio =
VELOCIDAD DE ENSAYO:
V =
ACELERACION DE ENSAYO:
a =
FUERZA DE IMPACTO:
F = 2 * 2,5kg * 9,8m/s F = 49N
Cobre 1, 2:
Bronce:
Acero:
Aluminio:
pág. 14
CONCLUSION
Gracias a esta experiencia se puede concluir que el método de Charpy es muy útil
para el estudio de la relación interna del material y su comportamiento a la
fractura. Se obtuvo de este procedimiento el resultado de la energía absorbida,
como también la velocidad del ensayo.
Se puede concluir también muchos materiales se comportaron de forma dúctil,
esto quiere decir que se deformaron en el rango inelástico y el comportamiento de
otros materiales fue frágil sufrieron una falla con poca deformación en el rango
inelástico.
La velocidad de la aplicación de la carga y el radio de la entalla fueron factores
que influyeron en los resultados del ensayo para los metales ya que la madera no
tenía entalle.
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ANEXOS
¿Tiene algo que ver la temperatura con el resultado del ensayo?
R/=
Cuando estamos a temperaturas altas se comporta dúctil y a bajas es
frágil. Debido al calentamiento que el material le toca soportar. Y en esos
momentos entra a jugar la propiedad que poseen los materiales que se
conoce como dilatación térmica
¿Qué formas obtuvo la probeta después del ensayo?
R/=
Unas obtuvieron formas en v y otras se fracturaron completamente por la
mitad. Todo esto por su resistencia o grado de elasticidad.
¿Hay alguna diferencia entre la energía absorbida por la probeta de
madera de vetas horizontales con las verticales?
R/=
La diferencia es que las de vetas verticales eran más dúctiles que las
horizontales ya que las horizontales se partieron mostrando así su
fragilidad
¿Cuál de los materiales es el más dúctil y cuál es el más frágil?
R/=
Los materiales más dúctiles fueron el cobre # 2 (9.79 ) y acero (11.01 )
puesto que presentaron mayor cantidad de energía absorbida. Por lo que
notamos que el ACERO fue el material más. Mientras que los más frágiles
fueron el bronce y aluminio siendo de material más frágil el BRONCE con
5.13 .
pág. 16
BIBLIOGRAFÍA
S.Timoshenko. Resistencia de los materiales. Tomo I. Teoría elemental y
problemas. Espasa-calpe.Madrid 1957.
M.Sc. ABUCHAR CURI, Alfredo y M.Sc. VLADIMIR QUIROZ, mariano.
Manual de Laboratorio de Resistencia de Materiales. Ediciones Universidad
Tecnológica de Bolívar.
JOSE AHUMADA VILLAFANE, "Caracterización de materiales de uso de
ingeniería" En: Colombia 2009. Ed: Corporación Universitaria De La Costa.
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