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Universidad Alas Peruanas20/10/2014
2014
Ingeniería de MaterialesEnsayo de Impacto
PROFESOR:
- ENRIQUE ALEJANDRO CHAMPIN OLIVERA
INTEGRANTES:
- LOPEZ FRANCO, KENNETH- MAMANI FUENTES, CARLOS- MENDOZA HUARANGA, AYRTON- QUILLY HIDALGO, RENATO- SANTOS MEDINA, VERONICA- VELASQUEZ GUERRERO, KARINA
Facultad de Ingeniería y Arquitectura Escuela Profesional de Ingeniería Industrial
INTRODUCCIÓN
Los Ensayos de Materiales están presentes en la mayoría de proyectos de ingeniería, en el
control de tensiones en máquinas y estructuras, en la detección de fallas, en el estudio de las
estructuras de los metales y en el porqué de las causas que provocan la rotura de los
materiales cuando están siendo usados. Se denomina ensayo de materiales a toda prueba
cuyo fin es determinar las propiedades y características mecánicas de un material. Algunas
propiedades evaluadas en estos ensayos son: Elasticidad, Dureza, Embutibilidad, Resiliencia.
Algunas de estas propiedades serian la dureza, la elasticidad, la densidad, entre otras. Una
propiedad importante de tener en cuenta es la tenacidad que es la capacidad con la que un
material puede absorber energía de impacto. El estudio de esta propiedad es muy útil en la
selección de un material para una adecuada aplicación, en la que la tenacidad del material sea
una característica a tener en cuenta en el diseño de la pieza.
Los ensayos en materiales pueden ser de dos tipos:
Ensayos no destructivos
Se denomina ensayo no destructivo a cualquier tipo de prueba practicada a un material que no
altere de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales.
Algunos de estos ensayos son:
Ensayo visual
Ensayo radiológicos
Ensayo por ultrasonido
Ensayo por partículas magnéticas
Ensayo por líquidos penetrantes
Ensayos Destructivos
Algunos de estos ensayos son:
Ensayo de composición
Ensayo de metalografía
Ensayo de impacto
Ensayo de dureza
ENSAYO DE IMPACTO
Una propiedad importante de tener en cuenta es la tenacidad que es la capacidad con la que
un material puede absorber energía de impacto. El estudio de esta propiedad es muy útil en la
selección de un material para una adecuada aplicación, en la que la tenacidad del material sea
una característica a tener en cuenta en el diseño de la pieza.
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Índice
INTRODUCCIÓN.............................................................................................................2
CAPITULO 1. ENSAYO DE IMPACTO...........................................................................4
1.1. Objetivos.............................................................................................................4
1.2. Generalidades de la Prueba de Impacto.............................................................4
1.3. Propiedades de Impacto.....................................................................................5
1.3.1 Temperatura de transición de dúctil a frágil.................................................5
1.3.2 Sensibilidad a la muesca..............................................................................6
1.3.3 Relación con el diagrama esfuerzo deformación.........................................6
1.3.4 Designación de eje del espécimen...............................................................6
1.4. Descripción General de la Maquina....................................................................7
1.5. Partes Principales de la Maquina.......................................................................8
1.5.1. Estructura.....................................................................................................8
1.5.2. El Péndulo....................................................................................................8
CAPITULO 2. ENSAYO DE IMPACTO TIPO CHARPY..................................................9
2.1. Ensayo Charpy...................................................................................................9
2.2. Probetas para el impacto..................................................................................10
2.3. PROCEDIMIENTO............................................................................................11
2.3.1 Ventajas.....................................................................................................14
2.3.2 Desventajas................................................................................................14
CAPITULO 3. ENSAYO DE IMPACTO TIPO IZOD......................................................16
3.1. Ensayo Izod......................................................................................................16
3.2. Ensayo de Resiliencia.......................................................................................16
3.2.1 Objetivos y características fundamentales del ensayo...............................16
3.2.2 Principales parámetros que influyen en el ensayo.....................................16
3.2.3 Tipos más importantes de probetas utilizadas en los ensayos..................16
3.2.4 Proceso operativo del ensayo....................................................................17
BIBLIOGRAFIA.............................................................................................................18
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CAPITULO 1. ENSAYO DE IMPACTO
1.1. Objetivos
Familiarizarse con los criterios de valoración de la resistencia de los
materiales a las cargas de impacto.
Comparación de la conducta de un mismo material, sometido a distintos
tratamientos térmicos, frente a este tipo de ensayo.
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.
Conocer e identificar el ensayo tipo Izod y todo lo que ésta conlleva en
cuanto a soportes de probetas, martillos de golpeo, ubicación de las
probetas, dimensiones, etc.
1.2. Generalidades de la Prueba de Impacto
Cuando un material es sujeto a un golpe repentino y violento, en el que la velocidad de
deformación es extremadamente rápida, se puede comportar en una forma mucho más
frágil que la que se observa en otro tipo de pruebas, por ejemplo en el ensayo de
tensión. Esto, se puede observar en muchos plásticos, ya que al estirarlo con mucha
lentitud, las moléculas de polímero tienen tiempo de desenredarse o las cadenas de
deslizarse entre sí y permitir deformaciones plásticas grandes.
Sin embargo, si se aplica una carga de impacto, el tiempo es insuficiente para que esos
mecanismos jueguen un papel en el proceso de deformación, y los materiales se
rompen en forma frágil, Con frecuencia se usa un ensayo de impacto para evaluar la
fragilidad de un material bajo estas condiciones. En contraste con el ensayo de tensión,
en el de impacto las tasas de deformación unitaria son mucho mayores.
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El ensayo de impacto consiste en dejar caer un péndulo pesado, el cual a su paso
golpea una probeta que tiene forma de paralelepípedo, ubicada en unos soportes en la
base de la máquina. Se debe dejar caer el péndulo desde un ángulo α = +/- 90º, para
que la velocidad del péndulo, en el momento del golpe y en el punto de la nariz de
golpeo sea de 4.11 m/s y de esta manera cumpla con los requerimientos de la norma
que especifica que la velocidad del péndulo en el momento del impacto debe estar entre
3 m/s y 6 m/s.
La probeta posee una muesca (entalle) estándar para facilitar el inicio de la fisura.
Luego de golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando cierta altura que
depende de la cantidad de energía absorbida por la probeta durante el impacto. Las
probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con
mayor ductilidad (baja fragilidad) se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy
dependiente de la temperatura y la composición química, lo cual obliga a realizar el
ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar y encontrar la “temperatura de
transición dúctil-frágil.
1.3. Propiedades de Impacto1.3.1 Temperatura de transición de dúctil a frágil.
Es la temperatura debajo de la cual un material se comporta de forma frágil en un
ensayo de impacto. El cambio de dúctil a frágil también depende de la velocidad de
deformación. Un material que se somete a un golpe de impacto en servicio debe tener
una temperatura de transición menor que la temperatura del entorno. (Ver Figura 1)
Figura 1. Gráfico Resistencia al impacto Vs. Temperatura.
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Esta temperatura sirve además como referencia en la selección de materiales, debido
a que asegura que la temperatura más baja a la que el material estará expuesto esté
muy por encima de la temperatura de transición de dúctil a frágil.
1.3.2 Sensibilidad a la muesca
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. 2)
Figura 2. Propiedades de una muesca en V de Charpy para un acero al carbono BCC y un acero inoxidable FCC.
1.3.3 Relación con el diagrama esfuerzo deformación
La energía necesaria para romper un material durante un ensayo de impacto, no
siempre se relaciona con la resistencia a la tensión. En general, los metales que tienen
alta resistencia y a la vez gran ductilidad, tienen buena tenacidad a la tensión. Sin
embargo, este comportamiento cambia cuando las velocidades de deformación son
altas. Así, dicha velocidad puede desplazar la transición de dúctil a frágil.
1.3.4 Designación de eje del espécimen
La orientación con que se sacan las probetas de los lingotes de las laminaciones de
acero, permite que esta adquiera mayor o menor resistencia ante la fractura por
impacto. Se puede ver como el corte de la muesca y su orientación (el plano) coincide
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paralela o perpendicularmente al eje de flujo de las fibras naturales (de laminación) del
espécimen. (Ver Figura 3)
Figura 3. Designación del eje de la Probeta.
La orientación de la muesca se designa por la dirección en que la fractura se propaga;
como se puede ver en la figura, cuando el plano de la muesca es diagonal a la
dirección de las fibras del espécimen, es decir sobre el plano xy-z de la laminación, el
espécimen puede tener mayor resistencia al impacto, que el que podría tener el
espécimen cortado en la dirección yz-x, el cual tendría una menor resistencia al
impacto y por lo tanto se fracturaría más fácilmente, y por último el espécimen cuyo
plano de muesca esta en dirección x-yz presentaría el mayor grado de resistencia a la
fractura, ya que la orientación de la muesca está en un plano transversal a la dirección
de las fibras del espécimen.
1.4. Descripción General de la Maquina
La máquina consta de dos parales paralelos, totalmente perpendiculares a su base
fijada en el suelo, estos parales soportan un eje, el cual sostiene al péndulo, que en su
parte inferior tiene el martillo, el cual se puede cambiar según la prueba que se vaya a
realizar (Charpy-Izod). El martillo tiene un determinado peso y dimensiones que
cumplen con la norma ASTM E-23. En la base se encuentra una prensa o soporte de la
probeta intercambiable para el ensayo que se vaya a realizar (Charpy-Izod), su fin es
sujetar las probetas cuando el péndulo las golpea. (Ver Figura No. 4)
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Figura 4. Máquina de impacto.
1.5. Partes Principales de la Maquina
1.5.1. Estructura
La estructura o todo el soporte de la máquina consisten en dos canales de acero que
están paralelos entre sí, perpendiculares a la base. La máquina debe ser anclada al
piso 15 cm. como especifica la norma. En el momento de realizar el anclaje debe
tenerse especial cuidado, para no alterar las condiciones de paralelismo y
perpendicularidad, sobre las cuales se diseñó la máquina. Para anclar la estructura al
piso se utilizan dos tomillos en cada una de las esquinas. Uno de los tornillos es el de
nivelación y el otro es el de anclaje. La estructura se nivela utilizando los tornillos de
nivelación, y cuando se encuentra totalmente nivelada, se ajustan en el piso los
tornillos de anclaje.
1.5.2. El Péndulo
Ésta parte de la máquina es la más delicada, pesa aproximadamente 40 lb., y debe ser
accionada solamente al liberar el sistema de freno, a través del mecanismo
proporcionado para ello. El péndulo al igual que el resto de la máquina cumple con la
norma ASTM E-23; su diseño debe cumplir con características de: velocidad, centro de
percusión y punto de golpeo.
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CAPITULO 2. ENSAYO DE IMPACTO TIPO CHARPY2.1. Ensayo Charpy.
El nombre de este ensayo se debe a su creador Albert Charpy, este ensayo consiste en
golpear mediante una masa una probeta que se sitúa en el soporte S (figura 1). La
masa M, la cual se encuentra acoplada al extremo del péndulo de longitud L, se deja
caer desde una altura H, mediante la cual se controla la velocidad de aplicación de la
carga en el momento del impacto. (Ver Figura 5.)
a) Antes del impacto b) Después del impacto
Figura 5. Péndulo de Charpy a) antes del impacto y b) después del impacto
Existen de acuerdo a Charpy dos tipos de prueba de impacto:
Prueba de impacto con flexión.
Prueba de impacto con flexión y muesca.
Ambas pruebas pueden realizarse con o sin con instrumentos o sin ellos, es decir con
una computadora que mide los diferentes parámetros implicados en la prueba.
Otras pruebas de impacto no incluidas en Charpy incluyen
Prueba a la caída
Pruebas de impacto a altas velocidades
La tenacidad al impacto se mide en kJ/m2
Debido a las características termoplásticas de los polímeros, las pruebas de impacto
requieren cierta velocidad en su actuación, las velocidades lentas producen más bien
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Centro c
Soporte S
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Probeta
Masa
Brazo L
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movimientos de deformación plástica o creep, permitiendo a los segmentos de las
macromoléculas la relajación de esfuerzos, las velocidades para impacto incluyen el
rango de 10−1 - 100 s−1.
Para el Ensayo de Charpy se necesita una máquina de ensayo. (Ver Figura 6.)
Figura 6. Maquina de ensayo moderna
2.2. Probetas para el impacto
Cuando se realizan ensayos de impacto con aceros de alto y mediano contenido de
carbono se pueden usar probetas sin ranuras debido a que son frágiles.
Para lograr que se fracturen las probetas se recomienda que se ranuren en la forma
siguiente:
Con entalladuras de forma de “v” que se usa para probetas de materiales
fibrosos, dúctiles y algunos materiales frágiles. (Ver Figura 7.)
Figura 7. Probeta con muesa o entalladuras en “v”
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La entalladura en forma de “u” se usa en materiales considerados de dureza
medio o mayor. (Ver Figura 8.)
Figura 8. Probeta con muesca o entalladura en “u”
La entalladura en forma de ojo de cerradura se efectúa en materiales sintéticos
como plásticos, acrílicos, (materiales polímeros). (Ver Figura 9.)
Figura 9. Probeta con muesca o entalladura en forma de ojo.
NOTA: Se emplean las de entalladuras más profundas y de menor ancho para los metales más
dúctiles.
2.3. PROCEDIMIENTO
Para realizar el ensayo de impacto en barras ranuradas se procede así:
1) Se pesan las probetas
2) Luego, sin instalar probeta alguna se eleva el péndulo y se engatilla, para ser
liberado luego. Se deja que el péndulo realice unos cuantos vaivenes (3) y se
detiene. La energía gastada en este proceso se anota. (Ver Figura 10.)
Figura 10. Máquina de ensayo en actividad.
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3) Se instala la probeta en los apoyos, para esto las mordazas deben de sujetar la
probeta por cada uno de sus extremos, dejando un canal para el paso del
péndulo, que debe tener una distancia de 40mm según la norma ASTM E-23. se
engatilla y suelta el péndulo, produciéndose la rotura de la probeta, luego de
detenido se anota la energía aplicada en el proceso.
4) Se calcula la energía cinética, aplicada a las fracciones de probeta. Se realiza el
cálculo de la energía invertida en la rotura de la probeta.
5) Se repiten los pasos (3) y (4) para las otras probetas. (Ver Figura 11.)
Figura 11. Probeta siendo rota por el martillo de Charpy
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
que se conoce 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 Ea mediante la siguiente expresión:
Los modos de fractura que pueden experimentar los materiales se clasifican en dúctiles
y frágiles, esto depende de la capacidad que tienen de absorber energía durante este
proceso. La prueba de impacto Charpy se realiza según las 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. Según la norma
ISO, los resultados de los ensayos de impacto, en probetas entalladas, se suelen
expresar en (KJ/ m2), para lo cual se divide la energía absorbida para provocar la
fractura de la probeta entre la sección transversal de la misma en la zona de la
entallada (h x bx).
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El valor obtenido en el ensayo nos sirve de 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 ensayos, como por ejemplo el ensayo de
tracción, el valor de la resiliencia no tiene utilidad en los cálculos de diseño
La información que se obtiene en este ensayo es la curva Fuerza vs Tiempo y los
resultados del ensayo son:
Fuerza máxima (Newton)
Energía del impacto (Julios)
Velocidad de impacto ( m/s)
Energía absorbida (julios)
Angulo inicial (grados)
Angulo final (grados)
Un ejemplo de los resultados de una serie de pruebas de choque realizadas a diversas
temperaturas se muestra en la siguiente figura
A temperaturas altas, se requiere una gran absorción de energía para que se rompa la
probeta, y se fractura con poca energía absorbida, a temperaturas bajas. A
temperaturas elevadas el material se comporta de manera dúctil, con gran deformación
y estiramiento de la probeta antes de fracturarse. 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.
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Un material que vaya a estar sometido a impacto durante su funcionamiento debe tener
una temperatura de transición inferior a la temperatura circundante. Por ejemplo, la
temperatura de transición del acero utilizado para un martillo de carpintero debe ser
menor que la temperatura ambiente par a evitar el desportilla miento de la herramienta.
La energía de impacto corresponde al área delimitada por la curva esfuerzo real-
deformación real. Los materiales que presentan alta resistencia y alta ductilidad, tienen
una tenacidad adecuada. Los cerámicos tienen escasa tenacidad debido a que son
quebradizos y virtualmente no presentan ductilidad. La energía absorbida y la
temperatura de transición son muy sensibles a las condiciones de carga. Por ejemplo,
una mayor rapidez de aplicación de la energía de impacto a la muestra reducirá la
energía absorbida e incrementará la temperatura de transición Debido a que
frecuentemente no es posible predecir o controlar todas estas condiciones en los
materiales, el ensayo de impacto se utiliza mejor para la comparación y selección de los
materiales, que para obtener criterios de diseño.
2.3.1 Ventajas
El procedimiento Charpy tiene una amplia gama de aplicación y es el más
adecuado para el ensayo de materiales que presentan rotura por cizallamiento
interlaminar o efectos de superficie. Además, el método Charpy ofrece ventajas
en los ensayos con temperaturas bajas, ya que los asientos de la probeta se
encuentran más alejados de la entalladura, evitando así una rápida transmisión
de calor a las partes críticas de la probeta.
Algo importante de este ensayo 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 en
toda la probeta)
2.3.2 Desventajas
Los especímenes pequeños y gruesos usados no representan
adecuadamente los componentes de ingeniería típicos.
Como limitaciones tenemos que sólo obtendremos datos cuantitativos que
únicamente serán útil esa efectos comparativos (no para el cálculo de piezas o
estructuras); que están determinados en materiales sin defectos (ya que
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los materiales de prueba no presentan en general discontinuidad es internas);
que los datos son poco representativos de las condiciones de servicio reales, ya
que:
o El tamaño de la probeta es independiente del espesor real del material.
Siempre se emplea una carga de ensayo por impacto, con independencia de que
la estructura en servicio esté sometida a cargas estáticas o dinámicas.
La energía absorbida es igual a la total más la energía de propagación de la
grieta.
El ensayo de impacto permite cuantificar la tenacidad de un material, pero no
obtenemos resultados aplicables cuando lo que necesitamos es diseñar piezas
estructurales. Para esto se ha creado toda una rama de la ciencia de los
materiales, que se llama mecánica de fractura.
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CAPITULO 3. ENSAYO DE IMPACTO TIPO IZOD
3.1. Ensayo Izod
El ensayo Izod es un tipo de ensayo destructivo dinámico resistente al choque que
utiliza un péndulo de Charpy como herramienta.
Este procedimiento se lleva a cabo para averiguar la tenacidad de un material, ya que al
realizarlo obtenemos su resiliencia
3.2. Ensayo de Resiliencia3.2.1 Objetivos y características fundamentales del ensayo.
Se empezó a hacer este ensayo porque se observó que materiales que aguantaban
bien en el laboratorio, no lo hacían luego en el uso real. Esto es porque en servicio, los
materiales no están sometidos solo a un tipo de carga, sino a varias simultáneas. Las
cargas hacen que dentro del material aparezcan tensiones. El principal objetivo del
ensayo es evaluar la resistencia del material frente a impactos. También sirve para
poner de manifiesto la sensibilidad de los metales a las entallas. En el choque, en las
proximidades de la entalla se obtiene una concentración máxima de tensiones, que
originan triaxialidad. La entalla en la probeta supone, pues, una mayor exigencia al
material, siendo indispensable allí donde además de la tenacidad, se requiere una
elevada resistencia a la rotura frágil.
El ensayo de impacto consiste en dejar caer un pesado péndulo, el cual a su paso
golpea una probeta que tiene forma paralelepípedo ubicada en la base de la máquina.
La probeta rompe de un solo golpe.
Luego de golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura
que depende de la cantidad de energía disipada al golpear.
3.2.2Principales parámetros que influyen en el ensayo.
El resultado que arroja, expresado en Jouls, varía en gran medida de la temperatura y
de la velocidad. A menor temperatura y mayor velocidad, la rotura se produce antes.
3.2.3Tipos más importantes de probetas utilizadas en los ensayos.
Las probetas utilizadas son diferentes dependiendo del tipo de ensayo, y en cualquier
caso están normalizadas.
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En el Charpy la probeta es de sección cuadrada, de dimensiones 55x10x10 mm. Tiene
una entalla en una de sus caras de 2 mm de profundidad. El espesor de material para
rotura es de 8 mm entonces.
En el Izod, la probeta tiene tres entallas, una en cada cara. Las entallas están
separadas entre si 28 mm, y 22 mm del borde de la probeta.
Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas
con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente
de la temperatura y la composición química, esto obliga a realizar el ensayo con
probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una "temperatura de
transición dúctil-frágil.
Figura 12. Resultados de ensayo izod
3.2.4Proceso operativo del ensayo.
Las probetas se colocan empotradas por un extremo y el golpe lo recibe la cara
entallada a una distancia de ésta de 22 mm. La entalla tiene que quedar enrasada con
el borde de la mordaza de sujeción. Con una probeta se hacen tres ensayos sucesivos
y se toma el promedio de ellos.
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BIBLIOGRAFIA
http://es.slideshare.net/martinperezjimenez5/prueba-de-impacto
http://www.utp.edu.co/~gcalle/Contenidos/Impacto.htm
https://es.scribd.com/doc/36859142/ Ensayo - Charpy
http://es.wikipedia.org/wiki/Ensayo_de_Izod
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