Material de Lectura de la Unidad Ensayos y Metalografa 1

ENSAYOS Y METALOGRAFIA

ENSAYO DE IMPACTO

1. -CONCEPTO

1.1. -CONCEPTOS PRELIMINARES

Los ensayos estticos como el de traccin permiten caracterizar la resistencia y elcomportamiento respecto de las deformaciones de un material sometido a cargasestticas. Todas esas caractersticas pueden variar para ese material si vara el modoen que se aplican las cargas. Este fenmeno debe tenerse en cuenta cuando una piezaestar sometida a una aplicacin de cargas distinta de la esttica. Sintticamentepodemos definir diversos modos de aplicacin de carga que deben ser analizados enforma particular:

Aplicacin esttica Aplicacin instantnea o dinmica (impacto). Aplicacin dinmica cclica (fatiga). Aplicacin esttica a altas temperaturas (creep).

1.2. -EL ENSAYO DE IMPACTO

El ensayo de impacto es uno de los ms sencillos de realizar ya la vez una herramientamuy importante para obtener parmetros fundamentales en la caracterizacin de unmaterial.

En el ensayo de traccin se trabaja con cargas aplicadas cuasiestticamente, es decirque se aplican progresivamente evitando efectos dinmicos. Pero en algunos .casos enla aplicacin real del material este est sometido a esfuerzos dinmicos importantespor lo que es necesario conocer sus propiedades en ese sentido.

La fractura en elementos sometidos a efectos exteriores instantneos y/o variacionesbruscas de las cargas la falla se produce por no aceptar deformaciones plsticas o porfragilidad, an en aquellos metales considerados como dctiles.

En el caso de los ensayos de impacto o choque se analiza la respuesta del material acargas dinmicas. En la aplicacin de cargas instantneas las ondas de tensin nopueden propagarse producindose la fisura por deformaciones localizadas. Por lo tantolas propiedades mecnicas de los metales sometidos a cargas dinmicas se vensensiblemente modificadas. Esto nos dice que, si bien los ensayos estticos nos dan unvalor correcto de la ductilidad del material, este parmetro no es suficiente paradeterminar su grado de tenacidad para condiciones variables de trabajo.Al determinar la capacidad de trabajo de deformacin a partir del diagrama de traccinse obtiene una medida comparativa y aproximada de la tenacidad y resilencia delmaterial

En ensayos de choque se obtiene la capacidad del material de absorber cargasinstantneas. No se obtiene una propiedad intrnsica del material sino un ndice

Material de Lectura de la Unidad Ensayos y Metalografa 2

comparativo de plasticidad respecto de experiencias realizadas bajo las mismasnormas, dado que no existe ninguna ley de semejanza. Sin embargo se puede obtenervalores de resilencia (capacidad de absorber energia por unidad de seccin) quecaracteriza al material en su capacidad para soportar esfuerzos dinmicos.

1.3.- EFECTOS FRAGILlZANTESLos factores fundamentalmente que modifican las propiedades mecnicas del materialy producen la falla por fragibilidad son:

Variacin en la velocidad de deformacin por la velocidad de aplicacin de cargas Efectos de forma que producen concentracin de tensiones y estados de tensiones

complejos Bajas temperaturas, que reducen sensiblemente la tenacidad.

2- PRINCIPIOS EN QUE SE BASAN LOS ENSAYOS

2.1 Principios generales

Los mtodos normalizados de ensayo de impacto. Charpy e Izod, que luego seestudiaran en detalle, estn basados en el efecto de flexin por choque, es decir, quesometer a una probeta entallada a un impacto que flexionndola con una cargaaplicada dinmicamente mediante una masa manejada por un pndulo producir lafractura.

2.2- Determinacin de energa absorbida en el impacto

El principio se basa en un pndulo que posee en su extremo una masa conocida(configuracin que se ve en el esquema) y que es soltada desde una determinadaaltura. Al producirse el impacto se quiebra la probeta entregando la masa parte de suenerga alcanzando del otro lado una altura menor. La diferencia de energa potencialentre la altura inicial ( energa disponible) y la alcanzada por el pndulo del ladoopuesto (energa residual) luego de impactar con la probeta ser la que la masapendular entreg para producir la fractura. (energa absorbida ) A0.

Material de Lectura de la Unidad Ensayos y Metalografa 3

Esquema del balance energtico del pndulo de impacto

Referencias:

M : peso del martilloR : Longitud del brazo del pnduloE1 : Energa potencial inicial, en (1)E2 : Energa Potencial en (2)E:A0: Energia absorbida por la probeta

E= E1-E2

Donde

E1 = M . h1E2 = M . h2h1 = R R . cos 1 =R.(1- cos 1)h1 = R R . cos 2 =R.(1- cos 2)

El ngulo a1 es fijo y conocido. El a2 quedar determinado en un cuadrante graduadopor una aguja que acompaa al pndulo hasta su mxima altura, luego de impactar enla probeta conservando esa posicin para la posterior lectura. Dado que el nguloinicial a1 , el brazo del pndulo R y la masa M, son fijos, la escala se encuentragraduada directamente en valores de energa absorbida, obtenindose una lecturadirecta en unidades de energa (Kg. Joule)

El brazo del pndulo est montado sobre un rodamiento para que las prdidas deenerga sean nfimas evitando alteraciones del clculo. Las perdidas por friccin en elmecanismo debern ser menores al 0.25 % de la escala de energa. Las prdidas defriccin aerodinmica debern ser menores al 0.75% de la escala.

La velocidad de impacto ser

Material de Lectura de la Unidad Ensayos y Metalografa 4

./52 smghv =

3. -RESlLIENCIA

Obtenemos la resiliencia del material como el cociente entre el trabajo gastado y elrea de rotura. Es decir que la resiliencia se define como el trabajo gastado pararomper el material de un solo golpe por unidad de seccin transversal, que caracterizala resistencia al choque o capacidad del material para absorber cargas dinmicas.

K= Ao S

4. -MTODOS DE ENSAYO DE IMPACTO

4.1. -DEFINICIONES

Existen dos mtodos normalizados de ensayo de impacto: El Charpy y el Izod. Ladiferencia fundamental entre los mtodos de ensayo Charpy e Izod reside en que elprimero coloca la probeta simplemente apoyada y el segundo empotrada. Por otro ladoel Izod permite realizar mas de una entalla en una misma probeta e ir desplazndola amedida que se realizan ensayos.

4.2. -MTODO CHARPY

Se utilizan probetas entalladas para someter al material a las mas severas condicionesgenerando un estado triple de tensiones. La probeta se ubica en este mtodosimplemente apoyada sobre un soporte con una abertura de 40 mm.

La entalla se ubicar del lado opuesto a la cara de la probeta sobre la que golpea elmartillo. que para este mtodo tiene un ngulo de 300 con un frente de ataque de 4 mm redondeado con un radio de 8 mm.

La longitud de la probeta es de 55 mm, existiendo segn la IRAM tres tipos de entallaposibles, Tipo A (entalla en V), tipo B (entalla en ojo de cerradura), y tipo C (entalla enU). La entalla en V tiene una profundidad de 2 mm, con un ngulo de 45. Solo seobtienen valores comparativos cuando se trabaja con el mismo tipo de entalla.Tambin existen sin entalla para ciertos materiales de obtencin por compactacinpulvimetalrgica.

Respecto de las dimensiones de la seccin, estn normalizadas en distintasproporciones y medidas segn el material a utilizar y segn el formato que permitaextraer la barra de donde se obtienen las probetas. La ms comn es la seccincuadrada de 10 x 10 mm. Tambin se definen secciones trapezoidales para algunasaleaciones no ferrosas.

4.3. -MTODO IZOD

En este mtodo la probeta se ubica en posicin vertical, en voladizo, empotrada en lamesa del equipo. La entalla queda exactamente en el plano de las mordazas y ubicada

Material de Lectura de la Unidad Ensayos y Metalografa 5

de cara al lado de ataque del martillo, que tiene un ngulo de 75 y golpeara porencima de la misma.

Este mtodo permite la confeccin de probetas con varias entallas, en las distintas caray tambin permite experimentar con distintas profundidades de entalla sobre la mismaprobeta (ver tipo X, Y, Z)

Para la seccin estn normalizados por las IRAM tres tipos. Las tipo D y tipo X,cuadrada de 10x10mm, tipo Y , circular de dimetro 11.4 mm y tipo Z, circular con11.4mm. de dimetro y frente fresado para ataque del martillo. La entalladura siemprees en V a 45 . Se mencionan en norma tambin las probetas sin entalladuras paraalgunas aleaciones no ferrosas y materiales de obtencin pulvimetalrgica.Este mtodo se recomienda solamente a temperatura ambiente

4.4. -APLICACIONES DE CADA UNO DE LOS MTODOS

El mtodo Izod, al tener que empotrar la probeta, no es aconsejable para determinarcomportamientos a distintas temperaturas pues el tiempo de colocacin sumado alcontacto con el equipo producen gran intercambio de calor lo que provocara quefinalmente no se estuviera trabajando a la temperatura supuesta. Para trabajar adistintas temperaturas (por ejemplo para determinar la temperatura de transicin, quese definir mas adelante) se deber utilizar el mtodo Charpy.

El Izo permite realizar una evaluacin de la homogeneidad e "isotropa del material alpoder realizar tres entallas sobre la misma muestra,permitiendo que las distintas entallas se realicen en las distintas caras de la probeta outilizando probetas de seccin circular. Tambin permite experimentar en la mismaprobeta con distintas profundidades de entalla.

Ambos mtodos son aplicables al clculo de resiliencia en base ala energa respectodel rea de fractura.

De los tres tipos de entalla posibles para el mtodo Charpy el mas usual es de entallaen forma de V.

5. -TEMPERATURA DE TRANSICION CURVA DE TRANSICION

Hemos mencionado a la baja temperatura como un factor fragilizante de losmateriales, este efecto es muy notorio en los aceros. Es tan grande la variacin delcomportamiento a bajas temperaturas que es posible notar que las maquinariasoriginarias de pases de muy bajas temperaturas suelen ser ms robustas

Esta variacin se pone en evidencia trazando el grfico energa de impacto vs.temperatura, en base a resultados obtenidos mediante ensayos de Charpy a distintastemperaturas. Una gran ventaja del anlisis de este fenmeno mediante este mtodode ensayo es la gran correlacin entre los resultados experimentales y los producidosen servicio.

Material de Lectura de la Unidad Ensayos y Metalografa 6

Existe un rango de temperatura en el que se produce la transicin dctil-frgil paracada material por debajo de esa zona el comportamiento se hace frgil y bastanteestable con la temperatura y por encima de esa zona el comportamiento es muchoms dctil y tambin estable con la temoeratura.

Curva energa de impacto por Charpy V vs. Temperatura

Si realizamos ensayos a distintas temperaturas observaremos que los valores en lazona de transicin no se ajustan a una curva definida sino que en esa zona se produceuna dispersin de los valores de energa de Charpy obtenidos Promediando se puedetrazar una curva de transicin ideal. Como vimos, no hay una temperatura detransicin definida sino de un rango de temperaturas que define una zona detransicin. La amplitud de este rango as como la ubicacin del mismo en el eje detemperaturas depender del material

Como ejemplo se puede ver el grfico de la figura, donde estn superpuestas para sucomparacin las curvas correspondientes a distintas composiciones de aceros alcarbono.

Ao (Joule)

Material de Lectura de la Unidad Ensayos y Metalografa 7

A los efectos de determinar dentro del rango de transicin una nica temperatura detransicin convencional existen varios mtodos:

a) Segn ASTM: La temperatura donde la superficie de fractura presenta un 50% derotura frgil y un 50% dctil (Ver mas adelante superficies de fractura).

b) Temperatura para la cual la energa absorbida es de 21 Joule

c) Temperatura promedio entre comportamiento frgil y al dctil.

6.- SUPERFICIES DE FRACTURA

El anlisis de la fractura producida en un ensayo de impacto puede dar una idea delcomportamiento dctil o frgil del material.

Las fracturas originadas por flexin por choque se producen por accin de lastensiones normales mximas en el plano de la entalla, que producen un arrancamientoen la zona central alrededor de la entalla y se completan por deslizamiento ( tensionestangenciales ) en los bordes.

Existir una relacin entre la superficie arrancamiento central y la dctilfibrosa de los bordes ductilidad o fragilidad del material.

Dado que la fragilidad aumenta a bajas temperaturas, esta relacin de superficiestambin variar con la temperatura para el mismo material.

Segn las caractersticas de ductilidad en el comportamiento de la muestra tambin seproduce una expansin lateral mayor o menor, que se puede medir para obtenerconclusiones segn norma.

Esta es una aplicacin prctica ms del ensayo de impacto. Permite comprobar unacaracterstica del material, que requiere una determinacin muy compleja J medianteun ensayo simple Si bien es un clculo aproximado puede resultar til para ensayos derecepcin de material, donde mediante ensayos de Charpy V se puede chequearaproximadamente este importante parmetro Kc de mecnica de la fractura.

8.3. -CONDICIONES DE ENSAYO -MTODO A EMPLEAR

Los ensayos a realizar se basan en la norma IRAM y se utilizar el mtodo Charpy conentalla en V que es el ms difundido y el aconsejado por las normas IRAM. Por otrolado ste es el mtodo aplicable para determinar temperatura de transicin.

ENSAYOS Y METALOGRAFIAENSAYO DE IMPACTOEsquema del balance energtico del pndulo de impacto