Diseno-y-construccion-de-una-maquina-para-prueba-de-impacto-Charpy-para-el-laboratorio-de-tecnologa-de-materiales

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE 
MÉXICO 
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES 
CUAUTITLÁN 
 
 
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA PARA PRUEBA DE IMPACTO 
“CHARPY” PARA EL LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES. 
 
 
 
TESIS 
 
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: 
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA 
 
PRESENTA: 
 
RUBÉN DOMÍNGUEZ GONZÁLEZ 
 
ASESOR: 
 
M.I. FELIPE DÍAZ DEL CASTILLO RODRÍGUEZ 
 
 
 
 
CUAUTITLAN IZCALLI, EDO. DE MEX. 2011 
 
 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
Restricciones de uso 
 
DERECHOS RESERVADOS © 
PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL 
 
Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal 
del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). 
El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea 
objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para 
fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo 
mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, 
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
 
 
 
ÍNDICE 
 
Pág. 
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………1 
 
CÁPITULO 1 
PROPIEDADES Y PRUEBAS MECÁNICAS 
1.1 Propiedades……………………………………………………………………………..…4 
1.2 La celda unitaria……………………………………………………..……………………7 
1.3 Tipos de celdas en los metales…………………………………………………………11 
1.4 Ensayo de tensión…………………………………………………...…………………..13 
1.5 Esfuerzo y deformación ingenieriles……………………………………………….…..14 
1.6 Propiedades obtenidas a partir del ensayo de tensión……………………………....15 
 1.6.1. Resistencia a la tensión o resistencia máxima ……………...……..….…17 
 1.6.2. Ductilidad……..………………………………………………………………19 
 1.6.3. Efecto de la temperatura… ………….………………………………….. ...20 
1.7Ensayo de dureza: Naturaleza y su uso………………………………...……………..20 
1.8 Ensayo de impacto…………………………………………………………………...….24 
 1.8.1 Propiedades obtenidas a partir del ensayo de impacto……………………25 
 1.8.2 Uso de las propiedades de impacto…………………………………………26 
 
CAPITULO 2 
PRUEBA DE IMPACTO Y SU NORMATIVIDAD. 
2.1 Historial de fracturas frágiles…………………………….……………………………....27 
2.2 Importancia de la mecánica de la fractura………………………….……………….…29 
2.3 Objetivo del ensayo Charpy………………………………………….………………….30 
 
 
 
2.4 La prueba de Charpy…………………………………………………………...…………31 
 2.4.1 Energía de impacto…………………………………………………..…….……31 
 2.4.2 Normatividad de la prueba Charpy…………………….……………..…….….34 
 
CAPITULO 3 
DISEÑO DEL EQUIPO 
3.1 Introducción……………………………………………………………………..…………39 
3.2 Parámetros de diseño………………………………………………….………..………..39 
3.3 Cálculos de los parámetros………………………………………………………..……..40 
 
CAPITULO 4 
FABRICACIÓN DEL EQUIPO 
4.1 Introducción……………………..…………………………..………...……….…….….…42 
4.2 Planos de diseñó del péndulo Charpy……………………………...........……….……43 
 
CAPITULO 5 
PRUEBAS Y RESULTADOS 
5.1 Introducción………………………………………………………………………….....…..61 
5.2 Metodología de operación del dispositivo……………………………………….…...…61 
5.3 Pruebas…………………………………………………………………………….…..…...65 
5.4 Resultados………………………………………………………………………….….…...66 
 
 
CONCLUSIONES……………………………………………………….…………….…….…68 
 
BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………...…..…..69 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 
 
INTRODUCCIÓN. 
Al examinar los objetos que nos rodean en nuestro hogar o en la calle, industria etc., 
vemos que la propiedad más útil de los metales es su facultad de resistir o transmitir 
esfuerzos. Hay muchos ejemplos de esto en un automóvil. La estructura y los 
parachoques resisten muchos esfuerzos impuestos y el tren de potencia transmite el 
esfuerzo de los pistones a las ruedas. En estos casos todas las partes se deforman un 
poco y luego retornan a su forma original cuando se retira el esfuerzo, se trata de una 
deformación elástica. 
Otro efecto importante del esfuerzo sobre los metales es la deformación permanente o 
plástica. Si se excede la carga apropiada en un automóvil, los resortes de la 
suspensión pueden ceder permanentemente. Si se estrella el auto contra un árbol, se 
deformará el parachoques. Esta facultad para deformarse sin romperse, es una 
característica que sólo se presenta en los metales y que permite conformar láminas y 
barras metálicas en las formas que queramos, tales como carrocerías de automóvil, 
columnas estructurales, vigas y alas de aviones. 
Se sabe que para diseñar cualquier elemento mecánico, uno de los aspectos 
principales que se deben tomar en cuenta es, conocer las propiedades de los 
materiales que se van a emplear, para saber si serán aptos para el trabajo para el cual 
fueron pensados. Existe una serie de pruebas, que permiten conocer las propiedades 
mecánicas de los materiales, es decir a través de estas pruebas, se pueden 
determinar: Dureza, resistencia a la tracción, fatiga, resistencia al impacto o tenacidad 
y otras, esta, la resistencia al impacto, es la que nos atañe, esta es la propiedad o 
2 
 
capacidad que tiene un material de recibir o soportar impactos sin fracturarse, es 
decir, romperse. 
En algunos casos esta propiedad mecánica es vital (imagine el trabajo que realiza un 
martillo) o un recipiente a presión que contenga sustancia volátil o toxica, una tubería 
que suministra agua potable a una ciudad, o desaloje aguas negras, no hay mucho 
que decir sobre las consecuencias que una falla en los casos anteriores causaría, o 
causó, como trágicamente ocurrió con el famosos barco Titanic, donde ocurrió una 
fractura frágil después de impactarse contra un iceberg, este tipo de fractura se 
determino después de hacer los peritajes pertinentes, y se descubrió que la tenacidad 
se ve afectada por la temperatura y así se acuño el término “fractura frágil” que es la 
que ocurre a bajas temperaturas, aunque existen otros factores que provocan la 
fractura frágil, como lo son, un estado de esfuerzos triaxiales, y una velocidad de 
deformación alta o una alta velocidad de aplicación de la carga, ninguno de los tres es 
determinante y no es necesario que estén presentes los tres factores para que ocurra 
la fractura frágil. 
Los aceros poseen propiedades similares cuando se someten a ensayos de tensión o 
torsión, los cuales involucran velocidades bajas de deformación, pueden mostrar 
grandes diferencias en su tendencia a la fractura frágil cuando son sometidos a 
pruebas de impacto con probetas entalladas. 
El ensayo de impacto a menudo se utiliza para evaluar la fragilidad de un material bajo 
estas condiciones. Se han diseñado muchos procedimientos, incluyendo el ensayo 
Charpy, durante este ensayo, un péndulo pesado, que inicia su movimiento desde una 
3 
 
altura , describe un arco y posteriormente golpea y rompe la probeta; llega a una 
altura final menor. Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo, se puede 
calcular la diferencia de su energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto 
absorbida durante la falla o ruptura de la probeta. En el caso del ensayo Charpy, la 
energía por lo general se expresa en lb-pie o en joules (J). La capacidad de un 
material para resistir cargas de impacto, a menudo se conoce como tenacidad del 
material. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
CAPÍTULO 1. 
PROPIEDADES Y PRUEBAS MECÁNICAS 
Para realizar su función durante un ciclo de vida esperado, un componente debe tener 
la forma y propiedades correctas. El ingeniero debe cumplir este requisito 
aprovechando la relación compleja entre la estructura interna del material, su 
procesamiento y las propiedades finales del mismo. Cuando el ingeniero modifica 
alguno de estos tres aspectos de la relación, cualquiera de los restantes, o ambos, 
también cambian. 
1.1 Propiedades 
 Se pueden considerar las propiedades de un material en dos categorías; a saber: 
Mecánicas y físicas.Las propiedades mecánicas, que describen la forma en que el 
material responde a una fuerza aplicada, incluyen resistencia, rigidez y ductilidad. Sin 
embargo, a menudo se tiene interés en la manera en que se comporta un material al 
ser expuesto a un golpe repentino e intenso (impacto) , sometido a la aplicación de 
cargas cíclicas en el tiempo (fatiga), expuesto a altas temperaturas (termofluencia) o 
sujeto a condiciones abrasivas (desgaste). Las propiedades también determinan la 
facilidad con la cual se puede deformar un material para llegar a una forma útil. Por 
ejemplo, una pieza de metal a forjar debe tener alta ductilidad para deformarse hasta 
la forma apropiada. A menudo cambios estructurales pequeños tienen un efecto 
profundo sobre las propiedades mecánicas. 
Las propiedades físicas, que incluyen el comportamiento eléctrico, magnético, óptico, 
térmico, elástico y químico dependen tanto de la estructura como del procesamiento 
de un material. Incluso minúsculas modificaciones de la estructura causan cambios 
profundos en la conductividad eléctrica de muchos materiales semiconductores; por 
ejemplo, temperaturas de fusión altas pueden reducir de manera importante las 
características de aislamiento térmico de los ladrillos cerámicos. 
5 
 
Para comprender las “propiedades “, o sea las características observables, de los 
materiales, es necesario comprender su estructura a escala atómica y/o microscópica. 
Puede demostrarse que casi cada propiedad principal de los materiales es resultado 
directo de mecanismos que suceden a escala atómica o microscópica. 
El efecto definitivo que tiene la estructura sobre las propiedades se aprecia bien en 
dos ejemplos, uno a escala atómica y otro a escala microscópica. Todo ingeniero 
responsable de la selección de diversos metales para aplicaciones técnicas debe 
tener en cuenta que algunas aleaciones son relativamente dúctiles, mientras que otras 
son relativamente frágiles. Las aleaciones de aluminio son, en forma característica, 
dúctiles, mientras que las de magnesio son frágiles. Esta diferencia fundamental se 
relaciona en forma directa con las distintas estructuras cristalinas del aluminio y el 
magnesio. 
El arreglo atómico juega un papel importante en la determinación de la 
microestructura y en el comportamiento de un material sólido. Debido a distintos 
arreglos atómicos, se puede deformar fácilmente el polietileno, se puede estirar 
elásticamente el hule, y la epóxica resulta fuerte y quebradiza. 
Si no se consideran las imperfecciones que aparecen en los materiales, entonces 
existen tres niveles de arreglo atómico, que se describen a continuación: 
o Sin orden. En gases como el argón, los átomos no tienen orden y llenan de 
manera aleatoria el espacio en el cual está confinado el gas. 
o Orden de corto alcance: Un material muestra orden de corto alcance si el 
arreglo especial de los átomos se extiende sólo a los vecinos más cercanos de 
dicho átomo. Cada molécula de agua en fase vapor tiene un orden de corto 
alcance debido a los enlaces covalentes entre los átomos de hidrógeno y 
oxígeno; esto es, cada átomo de oxígeno está unido a dos átomos de 
hidrógeno, formando un ángulo de 104.5º entre los enlaces. Sin embargo, las 
moléculas de agua no tienen una organización especial entre sí. 
 
6 
 
o Orden de largo alcance: Los metales, semiconductores, muchos materiales 
cerámicos e incluso algunos polímeros tienen una estructura cristalina en la 
cual los átomos muestran tanto un orden de corto alcance como un orden de 
largo alcance, el arreglo atómico especial se extiende por todo el material. Los 
átomos forman un patrón repetitivo, regular, en forma de rejilla o de red, La red 
es un conjunto de puntos, conocidos como puntos de red, que están 
organizados siguiendo un patrón periódico de forma que el entorno de cada 
punto en la red es idéntico. Uno o más átomos quedan asociados a cada punto 
de la red. La red difiere de un material a otro tanto en tamaño como en forma, 
dependiendo del tamaño de los átomos y del tipo de enlace entre ellos. La 
estructura cristalina de un material se refiere al tamaño, la forma y la 
organización atómica dentro de la red. 
La celda unitaria es la subdivisión más pequeña de la red cristalina que sigue 
conservando las características generales de toda la red. Se identifican 14 tipos de 
celdas unitarias o redes de Bravais agrupadas en siete sistemas cristalinos. Los 
puntos de la red están localizados en las esquinas de las celdas unitarias y, en 
algunos casos, en cualquiera de las caras o en el centro de la celda unitaria. 
 
En las figuras 1.1a y 1.1b se muestran algunos ejemplos de celdas unitarias. 
7 
 
 
 a) b) 
Figuras 1.1 a) Cobre, cúbica centrada en las caras b) Cloruro de Cesio, cúbica centrada en el cuerpo 
 
1.2 La celda unitaria. 
En lugar de describir la organización de miles de millones de átomos  millones1010 en 
un grano, es bastante más sencillo describir la celda unitaria. De la misma manera que 
un edificio está constituido de módulos o unidades, un grano está constituido de celdas 
unitarias idénticas. En las cavidades de las rocas encontramos cristales de cobre. La 
relación que existe entre un cristal de cobre y un grano es bastante sencilla. El grano es 
simplemente un cristal que no tiene caras lisas porque su crecimiento se restringió al 
entrar en contacto con otro grano con superficie restringente. Dentro del grano, la 
organización de las celdas unitarias es tan perfecta como lo es dentro de un cristal con 
caras lisas. Para indicar los planos que se forman al alinearse las celdas unitarias del 
cobre, hacemos un experimento sencillo. Primero, se corta una varilla pequeña de 
cobre de 2.5 cm. de longitud y 0.076 * 0.076 cm. cuadrados, se pule la superficie y se 
encuentra que pueden observarse los granos, como se muestra en la figura 1.2 
 
 
 
8 
 
 
Figura 1.2 Granos en una barra pulida de cobre. 
Si se dobla esta barra, figura 1.3, encontramos que aparecen líneas rectas oscuras en 
los granos cerca de los bordes de la muestra, si se observa cuidadosamente mientras la 
muestra se dobla, vemos que el metal se desplaza a ambos lados de de las líneas o 
bandas obscuras por una acción de tipo cizallante o de deslizamiento 
 
Figura 1.3 Deslizamiento que ocurre durante el doblamiento. 
 
Figura 1.4 De izquierda a derecha: Fotomicrografìa de la región pulida, fotomicrografìa en la 
región durante el doblamiento y ampliación de la fotomicrografìa durante el doblamiento 
La descripción de la celda unitaria permite explicar estos movimientos con mayor 
exactitud. Para describir la celda unitaria y más tarde el movimiento de un átomo dentro 
de la celda, se necesita un sistema que permita especificar: (1) las posiciones o 
coordenadas de los átomos, (2) las direcciones dentro de la celda y (3) los planos de la 
celda. 
9 
 
Posición. La posición de un átomo se describe haciendo referencia a los ejes de la 
celda unitaria y a las dimensiones unitarias de la celda. Supóngase que un grano o 
cristal está constituido de celdas unitarias de dimensiones ,00
*
0 ,, cba angstroms**, como 
se muestra en la figura1.5. **El subíndice o indica que esta dimensión se mide a una 
temperatura normalizada (20º C). El ángstrom = 810 cm. 
. 
Figura 1.5 Coordenadas de los átomos en las posiciones de cara centrada en la celda unitaria. 
 
En este caso, los ejes x,y,z, forman ángulos rectos. Para construir la celda 
sencillamente colocamos 0a , el parámetro de la red en la dirección x, 0b en la dirección 
y, y 0c en la dirección z. En la figura se muestran las coordenadas de varios átomos en 
la celda. Un átomo en el centro tendría coordenadas ,
2
1,
2
1,
2
1 mientras que un átomo 
en el centro de la cara en el plano xy tendría coordenadas 0,
2
1,
2
1 . Es importantenotar que la coma después de cada coordenada se refiere a los puntos en ese espacio. 
10 
 
 En la naturaleza encontramos como se mencionó anteriormente, 14 clases diferentes 
de redes cristalinas que se muestran en la figura 1.6. 
 
 
Figura 1.6 Las 14 redes cristalinas. 
 
En la tabla 1.1 se muestran las características básicas de los siete sistemas cristalinos 
 
Tabla 1.1 Características de los siete sistemas cristalinos. 
 
11 
 
 1.3 Tipos de celdas en los metales. 
Afortunadamente, en los metales se presentan principalmente tres tipos de celdas: 
cúbica de cuerpo centrado (BCC), cúbica de cara centrada (FCC) y hexagonal 
compacta (HCP). en la figura 1.7, se muestran los modelos de estas celdas hechos con 
esferas sólidas. 
 
Figura 1.7 De arriba hacia abajo: FFC cúbica de cara centrada, BCC Cúbica de cuerpo 
centrado y HCP hexagonal compacta. 
 
Ocasionalmente se encontrarán algunas de las otras clases de cristales en metales y 
en los cerámicos, en la figura 1.8 se muestra el esquema de la estructura cristalina 
hexagonal compacta. 
 
12 
 
 
 
Figura 1.8 Esquema de la estructura cristalina HCP 
 
Tabla 1.2 Características de cristales metálicos comunes. 
 
 
Se selecciona un material al adecuar sus propiedades mecánicas a las condiciones de 
servicio requeridas para el componente. El primer paso en el proceso de selección 
requiere que se analice la aplicación, a fin de determinar las características más 
importantes que el material debe poseer. ¿Deberá ser resistente, rígido o dúctil? 
¿Estará sometido a la aplicación de una fuerza cíclica importante o a una fuerza súbita 
intensa; a un gran esfuerzo y temperatura elevada o a condiciones abrasivas? Una vez 
conocidas las propiedades requeridas, se puede seleccionar el material apropiado, 
utilizando la información incluida en los manuales. Se debe, sin embargo, conocer como 
se llega a las propiedades incluidas en los manuales, lo que dichas propiedades 
13 
 
significan y tomar en cuenta que las propiedades listadas se han obtenido a partir de 
ensayos y pruebas ideales que pudieran no ser exactamente aplicables a casos o 
aplicaciones ingenieriles de la vida real. 
A continuación se explican brevemente, varios ensayos que se utilizan para medir la 
forma en que un material resiste una fuerza aplicada. Los resultados de estas pruebas o 
ensayos serán las propiedades mecánicas de dicho material. 
 
1.4 Ensayo de tensión. 
El ensayo de tensión mide la resistencia de un material a una fuerza estática o 
gradualmente aplicada. Una probeta típica tiene un diámetro de 0.505 pulg. Y una 
longitud calibrada de 2 pulg, figura 1.9. La probeta se coloca en la máquina de pruebas 
y se le aplica una fuerza F, que se conoce como carga. Para medir el alargamiento del 
material causado por la aplicación de fuerza en la longitud calibrada se utiliza un 
extensómetro. 
 
Figura 1.9 Probeta usada en la prueba de tensión. 
 
Y los resultados del ensayo de tensión de una barra de aleación de aluminio de 0.505 
pulg de diámetro, se presentan en la figura 1.10. 
 
14 
 
 MEDIDO CALCULADO 
Carga (lb.) Longitud calibrada (plg) Esfuerzo (psi) (plg/plg) 
0 2 0 0 
1000 2.001 5000 0.0005 
3000 2.003 15000 0.0015 
5000 2.005 25000 0.0025 
7000 2.007 35000 0.0035 
7500 2.03 37500 0.015 
7900 2.08 39500 0.04 
8000 (carga màxima) 2.12 40000 0.06 
7950 2.16 39700 0.08 
7600 (fractura) 2.205 38000 0.1025 
 
Figura 1.10. Efecto de la carga aplicada, en la longitud calibrada. 
 
 
1.5 Esfuerzo y deformación ingenieriles. 
Para un material dado, los resultados de un solo ensayo son aplicables a todo tamaño y 
formas de muestras, si se convierte la fuerza en esfuerzo y la distancia entre marcas 
calibradas en deformación. El esfuerzo y la deformación ingenieriles se definen 
mediante las ecuaciones siguientes: 
Esfuerzo ingenieril = 
0A
F
 .......... (1.1) 
Deformación ingenieril = 
0
0
l
ll 
 .......... (1.2) 
 
15 
 
Donde 0A es el área original de la sección transversal de la probeta antes de iniciarse el 
ensayo, 0l es la distancia original entre marcas calibradas y l es la distancia entre las 
mismas, después de haberse aplicado la fuerza F. Las conversiones de carga-longitud 
calibrada a esfuerzo-deformación que se muestra en la figura 1.11, se utilizan para 
dibujar y registrar los resultados del ensayo de tensión, mediante la curva esfuerzo-
deformación. 
 
 
Figura 1.11 Curva esfuerzo deformación. 
 
1.6 Propiedades obtenidas del ensayo de tensión. 
A partir de un ensayo de tensión se puede obtener información relacionada con la 
resistencia, rigidez y ductilidad de un material, las cuales están definidas por las 
propiedades siguientes: 
 
o Esfuerzo de cedencia: El esfuerzo de cedencia, es el esfuerzo al cual la 
deformación plástica se hace importante. En los metales, es por lo general el 
16 
 
esfuerzo requerido para que las dislocaciones se deslicen. El esfuerzo de 
cedencia es, por tanto, el esfuerzo que divide los comportamientos elástico y 
plástico del material. Si se desea diseñar un componente que no se deforme 
plásticamente, se debe seleccionar un material con un límite elástico elevado, o 
fabricar el componente de tamaño suficiente para que la fuerza aplicada 
produzca un esfuerzo que quede por debajo del esfuerzo de cedencia. 
 
En algunos materiales, el esfuerzo al cual el material cambia su comportamiento de 
elástico a plástico no se detecta fácilmente. En este caso, se determina un esfuerzo de 
cedencia convencional. Se traza una línea paralela a la porción inicial de la curva 
esfuerzo-deformación, pero desplazada a 0.002 plg/plg (0.2%) del origen. El esfuerzo 
de cedencia convencional de 0.2% es el esfuerzo al cual dicha línea intersecta la curva 
esfuerzo-deformación. La figura 1.12, muestra la grafica esfuerzo-deformación con 
dicho trazo. 
 
 Figura 1.12 Grafica esfuerzo-deformación con trazo de cedencia convencional 
 
La curva esfuerzo deformación para ciertos aceros de bajo carbono presentan un 
esfuerzo de cedencia o límite elástico doble. Se espera que el material se deforme 
17 
 
plásticamente al esfuerzo 1 . Sin embargo, los pequeños átomos intersticiales de 
carbono agrupados alrededor de las dislocaciones interfieren con el deslizamiento, 
elevando el punto de fluencia o límite de elasticidad hasta 2 . Solo después de haber 
aplicado un esfuerzo mayor 2 , empiezan a deslizarse las dislocaciones. Después de 
que se inicia el deslizamiento en 2 , las dislocaciones se alejan de los agrupamientos 
de átomos de carbono y continúan moviéndose muy aprisa bajo el esfuerzo 1 menor. 
La figura 1.13, es un ejemplo de ello. 
. 
Figura 1.13 Curva esfuerzo-deformación con esfuerzo de cedencia doble 
 
 1.6.1 Resistencia a la tensión o resistencia máxima. 
El esfuerzo obtenido de la fuerza más alta aplicada es la resistencia a la tensión, que es 
el esfuerzo máximo sobre la curva esfuerzo-deformación ingenieril. En muchos 
materiales dúctiles, la deformación no se mantiene uniforme. En cierto momento, una 
región se deforma más que otras y ocurre una reducción local de importancia en la 
sección recta. Esta región localmente deformada se conoce como zona de estricción 
(formación de cuello). 
18 
 
Dado que el área de la sección transversal en este punto se hace más pequeña, se 
requiere una fuerza menor para continuar su deformación, y se reduce el esfuerzo 
ingenieril, calculado a partir del área original 0A 
. La resistencia a la tensión es el esfuerzo al cual se inicia este encuellamiento o 
estricción en materiales dúctiles. 
 
Propiedades elásticas. 
El módulo de elasticidad o módulo de Young, E, es la pendiente de la curva esfuerzo-
deformación en su región elástica. Esta relación es la ley de Hooke: 


E . Este 
módulo está íntimamente relacionado con laenergía de enlace de los átomos. Una 
pendiente muy acentuada o abrupta en la gráfica fuerza-distancia en la zona de 
equilibrio indica que se requieren de grandes fuerzas para separar los átomos y hacer 
que el material se deforme elásticamente. Por tanto, el material tiene un módulo de 
elasticidad alto. Las fuerzas de enlace y el módulo de elasticidad, por lo general son 
mayores en materiales de punto de fusión alto. 
El módulo es una medida de la rigidez del material. Un material rígido, con alto módulo 
de elasticidad, conserva su tamaño y su forma incluso al ser sometido a una carga en la 
región elástica. 
El módulo de resiliencia es el área que aparece bajo la porción elástica de la curva 
esfuerzo-deformación, figura 1.14, es la energía elástica que un material absorbe o 
libera durante la aplicación y liberación de la carga aplicada respectivamente. En el 
caso de un comportamiento elástico lineal: 







2
1
rE (Esfuerzo de cedencia) (Deformación a la cedencia).= 
La capacidad de un resorte o de una pelota de golf para realizar satisfactoriamente su 
cometido, depende de un módulo de resiliencia alto. 
19 
 
. . 
Figura 1.14 Módulo de resiliencia ( rE ). 
 
 1.6.2 Ductilidad. 
La ductilidad mide el grado de deformación que puede soportar un material sin 
romperse. Se puede medir la distancia entre las marcas calibradas en una probeta 
antes y después del ensayo. El % de elongaciòn representa la distancia que la probeta 
se alarga plásticamente antes de la fractura: 
,100%
0
0



l
ll
elongaciònde
f
..........(1.3) 
Donde fl es la distancia entre las marcas calibradas después de la ruptura del material. 
Un segundo método para medir la ductilidad es el cambio porcentual en el área de la 
sección transversal en el punto de fractura antes y después del ensayo. El % de 
reducción en área expresa el adelgazamiento sufrido por el material durante la prueba: 
,100%
0
0



A
AA
àreaenreducciònde
f
..........(1.4) 
 
Donde fA es el área de la sección transversal en la superficie de la fractura. 
20 
 
La ductilidad es importante tanto para los diseñadores como para los fabricantes. El 
diseñador de un componente preferirá un material que tenga por lo menos cierta 
ductilidad, de manera que si el esfuerzo aplicado resulta demasiado alto, el componente 
se deforme antes de romperse. Los fabricantes tambièn prefieren un material dúctil, a 
fin de manufacturar formas complicadas sin que se rompa durante el proceso. 
 
 1.6.3 Efecto de la temperatura. 
Las propiedades a la tensión dependen de la temperatura, el esfuerzo de cedencia, la 
resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperaturas más altas, 
en tanto que, por lo general, la ductilidad se incrementa. Un fabricante quizá desee 
deformar un material a una alta temperatura (lo que se llama comúnmente trabajo en 
caliente) para aprovechar esa mayor ductilidad y los menores esfuerzos requeridos. 
 
1.7 Ensayo de dureza: Naturaleza y uso. 
El ensayo de dureza mide la resistencia de la superficie de un material a la penetración 
por un objeto duro. Se han inventado una diversidad de pruebas de dureza, pero las de 
uso más común son los ensayos Rockwell y Brinell. 
En el ensayo de dureza Brinell, una esfera de acero templado (por lo general de 10 mm 
de diámetro), se oprime sobre la superficie del material. Se mide el diámetro de la 
impresión generada, comúnmente de 2 a 6 mm, y se calcula el número de dureza o 
índice de dureza Brinell (abreviado como HB o BHN) a partir de la ecuación: 
 
   222/ iDDDD
F
HB



............(1.5) 
 
 
21 
 
Donde: 
F es la carga aplicada en kilogramos, D es el diámetro del penetrador en mm, y iD es el 
diámetro de la impresión en mm. 
El ensayo de dureza Rockwell utiliza una pequeña bola de acero para materiales 
blandos y un cono de diamante para materiales más duros, figura 1.15. 
 
Figura 1.15. Durómetro e identadores Rockwell 
 
El ensayo consiste en disponer un material con una superficie plana en la base de la 
máquina. Se le aplica una precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la 
deformación elástica y obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica 
durante unos 15 segundos un esfuerzo que varía desde 60 a 150 kg a compresión. Se 
desaplica la carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza 
directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de material 
que se utilice. Para no cometer errores muy grandes el espesor de la probeta del 
material en cuestión debe ser al menos diez veces la profundidad de la huella. También 
22 
 
decir que los valores por debajo de 20 y por encima de 100 normalmente son muy 
imprecisos y debería hacerse un cambio de escala 
 
La profundidad de la penetración es medida automáticamente por el instrumento y se 
convierte a índice de dureza Rockwell (HR). Se utilizan diversas variantes del ensayo 
Rockwell, incluyendo las que se describen en la tabla 1.2 
 
Tabla 1.2 Comparación de ensayos de dureza típicos. 
Ensayo Penetrador Carga Aplicación 
Brinell Bola de 10 mm 3000 kg. Aceros y hierros fundidos 
Brinell Bola de 10 mm 500 kg. Aleaciones no ferrosas 
Rockwell A Cono de diamante 60 kg. Materiales muy duros 
Rockwell B Bola de 1/16 plg 100 kg. Latón, acero de baja resistencia 
Rockwell C Cono de diamante 150 kg. Acero de alta resistencia 
Rockwell D Cono de diamante 100 kg. Acero de alta resistencia 
Rockwell E Bola de 1/8 plg 100 kg. Materiales muy suaves 
Rockwell F Bola de 1/16 plg 60 kg. Aluminio, materiales suaves 
Vickers Pirámide de diamante 10 kg. Materiales duros 
Knoop Pirámide de diamante 500 kg. Todos los materiales 
 
Los ensayos Vickers (HV) y Knoop (HK) son pruebas de microdureza, producen 
penetraciones tan pequeñas que se requiere de un microscopio para medir el tamaño 
de la huella. 
Los índices de dureza se utilizan principalmente como base de comparación de 
materiales; de sus especificaciones para la manufactura y tratamiento térmico, para el 
control de calidad y para efectuar correlaciones con otras propiedades de los mismos. 
23 
 
Por ejemplo, la dureza Brinell está relacionada estrechamente con la resistencia a la 
tensión del acero mediante la relación siguiente: 
Resistencia a la tensión (psi)= 500 HB 
 
Se puede obtener un índice de dureza Brinell en unos cuantos minutos sin preparar ni 
destruir el componente; y obteniendo una buena aproximación de su resistencia a la 
tensión. La dureza se relaciona con la resistencia al desgaste. Un material que se utiliza 
para fragmentar o para moler mineral debe ser muy duro para asegurarse de que no se 
desgastará o sufrirá abrasión debido a los duros materiales que maneja. De una 
manera similar, los dientes de los engranes en la transmisión o en el sistema impulsor 
de un vehículo deberán ser lo suficientemente duros para que no se desgasten. 
Generalmente se encuentra que los materiales poliméricos son excepcionalmente 
blandos, los metales son de una dureza intermedia y los cerámicos son 
excepcionalmente duros 
 En la figura 1.16 se muestra la máquina usada para tal prueba y algunos de sus 
accesorios. 
 
Figura 1.16. De izquierda a derecha: Durómetro, identadores, plato para colocar la pieza y 
esfera de acero 
 
24 
 
1.8 Ensayo de impacto. 
Cuando se somete un material a un golpe súbito e intenso, en el cual la velocidad de 
aplicación del esfuerzo es extremadamente grande, el material puede tener un 
comportamiento más frágil comparado con el que se observa en el ensayo de tensión. 
El ensayo de impacto a menudo se utiliza para evaluar la fragilidad de un material bajo 
estas condiciones. Se han desarrollado muchos procedimientos, incluyendo el ensayo 
Charpy y el ensayo Izod. Este último generalmente se utiliza para materiales no 
metálicos. La probeta puedeo no tener muesca, la que tiene muesca en V mide mejor 
la resistencia del material a la propagación de grietas. 
 
Durante el ensayo, un péndulo pesado, que inicia su movimiento desde una altura 0h , 
describe un arco y posteriormente golpea y rompe la probeta; llega a una altura final fh 
menor. Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo, se puede calcular la 
diferencia en su energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto absorbida 
durante la falla o ruptura de la probeta. En el caso del ensayo Charpy, la energía por lo 
general se expresa en libra-pie (lb.-pie) o en Joules (J) donde 1 lb-pie=1.356 J. La 
capacidad de un material para resistir cargas de impacto, a menudo se conoce como 
tenacidad del material. La figura 1.17 muestra esquemáticamente la prueba de impacto. 
 
Figura 1.17 Esquema de la prueba de impacto Charpy 
 
25 
 
 
 1.8.1 Propiedades obtenidas a partir del ensayo de impacto. 
A partir de la prueba de impacto se pueden obtener las propiedades siguientes. 
o Temperatura de transición. 
La temperatura de transición es la temperatura a la cual un material cambia de un 
comportamiento dúctil a un comportamiento frágil. Esta temperatura puede definirse 
como la energía promedio entre las regiones dúctil y frágil, a una energía absorbida 
especifica, o al tener ciertas características en la fractura. Un material sujeto a cargas 
de impacto durante las condiciones de servicio deberá tener una temperatura de transición 
por debajo de la temperatura de operación determinada por el ambiente que rodea el 
material. 
No todos los materiales tienen una temperatura de transición bien definida. Los metales 
BCC tienen temperatura de transición, pero la mayoría de los FCC no la tienen. Los 
metales BCC absorben valores altos de energía durante las pruebas de impacto; esta 
energía disminuye gradualmente conforme se reduce la temperatura. 
o Sensibilidad a las muescas. 
Las muescas causadas por un maquinado, fabricación o diseño defectuoso son 
concentradoras de esfuerzos y reducen la tenacidad de los materiales. La sensibilidad a 
las muescas de un material puede evaluarse comparando las energías absorbidas por 
probetas con y sin muescas. Las energías absorbidas son mucho menores en probetas 
con muesca si dicho material es sensible a éstas. 
Relación con el diagrama esfuerzo-deformación. 
La energía necesaria para romper un material está relacionada con el área bajo la curva 
esfuerzo real-deformación real*. Aquellos metales con resistencia y ductilidad altas 
tienen buena tenacidad. Los materiales cerámicos y muchos compuestos, por otra 
parte, poseen poca tenacidad, a pesar de su alta resistencia, ya que virtualmente no 
tienen ductilidad. 
 
26 
 
 1.8.2 Uso de las propiedades de impacto. 
La energía absorbida y la temperatura de transición son muy sensibles a las 
condiciones de carga. Por ejemplo, con una elevada rapidez en la aplicación de la 
energía a la muestra se reduce la energía absorbida y se incrementa la temperatura de 
transición. El tamaño de las muestras también afecta los resultados; debido a que es 
más difícil que se deforme un material con mayor espesor, se requiere de energías más 
pequeñas para romperlos. Finalmente la configuración de las muescas afecta el 
comportamiento; una grieta en la superficie permite la absorción de menos energía que 
una muesca en V en el material. Como a menudo no es posible predecir o controlar 
todas estas condiciones, el ensayo de impacto se utiliza más para comparación y 
selección de materiales. 
 
 
Figura 1.16 grafica energía de impacto versus temperatura. 
 
 
 
 
 
 
27 
 
CAPITULO 2 
PRUEBA DE IMPACTO Y SU NORMATIVIDAD 
 
Augustin Georges Albert Charpy (1865-1945), metalurgista fiancés. Preparado como 
químico, Charpy llego a ser uno de los metalurgistas pioneros de Francia y fue 
altamente productivo en su campo. Desarrollo el primer horno de resistencia de platino 
y el acero al silicio usado comúnmente en equipo eléctrico moderno, así como la 
prueba de impacto que lleva su nombre. 
 
2.1 Historial de fracturas frágiles 
 Entre los años 1920 y 1930 se había acumulado mucha evidencia empírica que 
demostraba que altas velocidades de deformación aplicadas a temperaturas cercanas o 
un poco por debajo de la temperatura ambiente, en presencia de entallas, eran más 
propensas a provocar fracturas frágiles o súbitas. 
Esta cuestión fue destacada en una serie de fracturas catastróficas de estructuras de 
acero ferrítico y mientras que la ciencia de la fracto-mecánica permite un enfoque cada 
vez más riguroso del diseño para evitar la fractura frágil de las estructuras de acero, el 
ensayo Charpy sigue siendo un método muy reconocido para especificar la calidad del 
acero. Se han demostrado las correlaciones empíricas entre el valor Charpy y el 
desempeño en servicio. 
A partir de mediados de la década de 1950, las técnicas de soldadura fueron mejoradas 
y el ensayo Charpy se convirtió en una parte esencial de la especificación del acero. 
En la tabla 2.1 se incluye una serie de ejemplos de fracturas frágiles 
 
 
28 
 
 
Tabla 2.1 Historial de fracturas frágiles. 
Año Estructura Temp 
de 
rotura 
/ °C 
Espesor 
del acero 
/ mm 
Antigüedad de 
la estructura 
/ años 
Comentarios 
1904 Tanque de 
agua 
0 15.9 7 Apariencia cristalina de la 
fractura 
1925 Tanque de 
petróleo 
-20 25.4 - Rápida disminución de la 
temperatura antes del accidente 
(muy común) 
1940 Puente 
atirantado 
-14 52 02-Mar Las fisuras comenzaron en las 
soldaduras, sin carga (muy 
común) 
1943 Buques Liberty 2 - ≤1 Algunos barcos literalmente se 
partieron en dos 
1951 Puente de viga 
compuesta 
-1 63 3 Puente inspeccionado dos 
semanas antes del incidente, 
prácticamente sin tránsito en el 
momento del incidente 
1952 Tanque de 
petróleo/gas 
8 27 - En ensayo. La fisura comenzó 
en una reparación de soldadura 
1954 Edificio de 
correo 
1 15-25 0 Durante la construcción, una 
combinación de técnica 
deficiente y fisuras en las 
soldaduras 
 
29 
 
 
Figura 2.1 Rampa de lanzamiento del Trasbordador Challenger donde se puede observar la presencia 
de hielo. 
 
2.2 Importancia de la mecánica de la fractura. 
La mecánica de la fractura permite diseñar y seleccionar materiales y al mismo tiempo 
tomar en consideración la inevitable presencia de defectos. Se deben considerar tres 
variables: La propiedades del material (Tenacidad a la fractura en deformación plana), 
el esfuerzo σ que debe resistir el material y el tamaño del defecto a. Si se conocen dos 
de estas se puede determinar la tercera. 
 
Selección de un material: Si se conoce el tamaño máximo de los defectos en el 
material y la magnitud del esfuerzo aplicado, se puede seleccionar un material que 
tenga una tenacidad a la fractura, lo suficientemente grande para que impida que el 
defecto crezca. 
 
30 
 
Diseño de un componente: Si se conoce el tamaño máximo de los defectos y ya se ha 
seleccionado el material, se puede calcular el esfuerzo máximo que logra resistir el 
componente. A partir de ahí es posible diseñar el tamaño apropiado de la pieza, para 
asegurarse de que no se exceda el esfuerzo máximo. 
 
Diseño de un método de manufactura o de ensayo: Si el material ha sido seleccionado, 
se conoce el esfuerzo aplicado y está determinado el tamaño del componente, se 
puede calcular el tamaño máximo permisible de los defectos. Una técnica de ensayo no 
destructivo que detecte cualquier defecto mayor de este tamaño crítico, puede ayudar a 
asegurarse de que la pieza funcionará con seguridad. Además, al seleccionar el 
proceso de manufactura correcto, se puede lograr que los defectos resulten más 
pequeños que este tamaño crítico 
2.3 Objetivo del ensayo Charpy 
1. Determinar la temperatura de transición dúctil-frágil para el acero en cuestión. 
2. Permitir la comparación entre diferentes proveedoresde acero y demostrar que 
una ruta de proceso determinada produce consistentemente el mismo nivel de 
tenacidad de impacto. 
Por lo tanto, la extensión del ensayo normalmente refleja estas diferentes cuestiones. 
Para el primer objetivo, se necesita un gráfico de energía de impacto Charpy versus 
temperatura de ensayo y una medida acordada de temperatura de transición de impacto 
es determinada a partir de estos datos. Para evaluar la consistencia y/o calidad del 
acero respecto de una especificación típica del mismo, se realizan usualmente ensayos 
a la temperatura de ensayo indicada en la norma del acero, por ejemplo, BS EN 10025, 
grado S355JO requiere que el acero alcance 27 Joules a 0º C. 
Se debe reconocer que aunque el ensayo Charpy es muy común, la agudeza de la 
entalla, algunas de las temperaturas y la velocidad de deformación utilizadas en el 
ensayo no son representativas de las condiciones en las que muchos de los aceros son 
31 
 
utilizados. Por lo tanto, los resultados de los ensayos de impacto Charpy no pueden 
utilizarse directamente para predecir el comportamiento en servicio y las características 
de rotura, ya que, conforme a lo anteriormente explicado, el modo de fractura depende 
no sólo de las propiedades del acero, sino también de estos parámetros. 
Las ventajas del ensayo Charpy radican en su rapidez y relativa sencillez de ejecución. 
Se trata de un ensayo muy útil para estimar la calidad de un producto y para evaluar 
nuevos productos. Sin embargo, posee varias desventajas, ya que la energía para la 
fractura depende enormemente de la geometría de la muestra, su forma, de la agudeza 
de la entalla y, particularmente, de la velocidad de deformación. Muchas de las 
estructuras o componentes de acero no contienen entallas del tipo utilizado en los 
ensayos Charpy ni están sujetos a las altas velocidades de deformación 
experimentadas en el ensayo Charpy. Por lo tanto, puede ser engañoso aplicar 
directamente los resultados en aplicaciones industriales reales. 
Técnicas más complejas de mecánica de la fractura que distinguen entre el inicio y la 
propagación de la fisura han sido desarrolladas a tal fin. 
2.4 La prueba de Charpy. 
2.4.1 Energía de impacto. 
Sabemos que la dureza es el análogo de la resistencia medida mediante la prueba de 
tensión. La energía de impacto es análoga a la tenacidad. La medición de laboratorio 
más común, para determinar la energía de impacto, como hemos mencionado 
anteriormente, es la prueba de Charpy. El principio de la prueba es sencillo. La energía 
necesaria para fracturar la pieza, bajo prueba, se calcula directamente a partir de la 
diferencia de las alturas inicial y final del péndulo de oscilación. Para dar control sobre 
el proceso de fractura, se hace una ranura para concentrar el esfuerzo, en el lado de la 
muestra sometida al esfuerzo máximo de tensión, figura 2.2 El resultado neto de la 
prueba es someter la muestra en sucesión rápida a la deformación elástica, la 
deformación plástica y finalmente la fractura. 
32 
 
 
Figura 2.2 Esquema de la prueba Charpy 
La energía de impacto a partir de la prueba Charpy se correlaciona con el área bajo la 
curva total de esfuerzo-deformación, figura 2.3, es decir, la tenacidad. La tabla 2.2 
presenta los datos de la energía de impacto de Charpy para algunas aleaciones. 
 
Figura 2.3 Curvas esfuerzo-deformación para el Fe a diferentes temperaturas. 
 
 
 
 
33 
 
 
Tabla 2.2 Datos de la prueba de impacto (Charpy) de algunas aleaciones. 
Aleación Energía de impacto [J (lb.-ft.)] 
Acero al carbono 1040 180 (73) 
Acero de baja aleación 8630 55 (41) 
c. Acero inoxidable 410 34 (25) 
Acero para herramental L2 26 (19) 
Superaleación ferrosa (410) 34 (25) 
a. Hierro dúctil 9 (7) 
b. Chapa de aluminio 2048 10.3 (7.6) 
a. Magnesio AZ31B 4.3 (3.2) 
b. Magnesio fundido AM100A 0.8 (0.6) 
a. Ti-5 Al-2.5 Sn 23 (17) 
Bronce de aluminio, 9%(aleación de cobre) 48 (35) 
Monel 400 (aleación de níquel) 298 (220) 
Soldadura 50:50 (aleación de plomo) 21.6 (15.9) 
Nb-1 Zr (metal refractario) 174 (128) 
 
En general se espera que algunas aleaciones con grandes valores tanto de resistencia 
como de ductilidad (la elongación en porcentaje a la fractura) tengan grandes energías 
de fractura de impacto. Aunque esto es frecuente, los datos de impacto son sensibles a 
las condiciones de prueba. Por ejemplo hacer más puntiaguda la ranura puede dar 
34 
 
valores de energía de impacto más baja debido al efecto de concentración del esfuerzo 
en un punto de la ranura. Las aleaciones con estructuras cúbicas centradas en las 
caras (FCC), muestran por lo regular modos de fractura dúctil en la prueba de Charpy, y 
las aleaciones hexagonales de empaquetado compacto (HCP), casi siempre son 
frágiles. Sin embargo, las aleaciones cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) muestran 
una variación dramática en el modo de fractura con la temperatura. En general, caen en 
un rango de fragilidad a temperaturas relativamente bajas y en un rango de ductilidad a 
temperaturas relativamente altas. 
 2.4.2 Normatividad de la prueba Charpy. 
Aunque la prueba Charpy es muy simple desde el punto de vista mecánico, con ella se pueden 
diseñar varias pruebas de impacto donde se muestra de forma rápida y didáctica, la influencia 
que tienen determinados factores en el comportamiento mecánico de los materiales, la figura 
2.3 muestra ejemplos de algunas de estas máquinas. 
 
Figuras 2.3 Péndulos Charpy con diferentes capacidades 
 
Como se menciono anteriormente la prueba consiste en golpear mediante una masa una 
probeta que se sitúa en un soporte, ver figura 2.4a) y 2.4 b) 
35 
 
 
a) b) 
Figuras 2.4 Prueba Charpy a) Antes del impacto, b) Después del impacto. 
 
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. 
La energía absorbida 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 
conocido el ángulo inicial de aplicación de la carga (a) y el ángulo final (b) al que se 
eleva el péndulo después de la fractura completa de la probeta; se puede calcular la 
energía E mediante la siguiente expresión (A): 
 
.........(A) 
Donde: 
 P es el peso del péndulo 
Los modos de fractura que pueden experimentar los materiales se clasifican en dúctil o 
frágil, dependiendo de la capacidad que tienen los mismos de absorber energía durante 
este proceso. Actualmente no existe un criterio único para determinar cuantitativamente 
36 
 
cuando una fractura es frágil o dúctil, pero todos coinciden en que el comportamiento 
dúctil está caracterizado por una absorción de energía mayor que la requerida para que 
un material fracture frágilmente. Por otra parte el comportamiento dúctil tiene asociado 
altos niveles de deformación plástica en los materiales. 
 
De acuerdo a la expresión (A), dos de los factores que determinan la energía máxima 
que se puede suministrar en el momento del impacto son: el valor de la masa M y la 
longitud del brazo L. Es por ello que existen diversos diseños de maquinas para 
pruebas de impacto Charpy, en los que combinados los dos factores anteriormente 
mencionados se logran construir péndulos que son capaces de brindar una energía de 
impacto de 358 Joules, como es el caso del modelo Tinius Olsen (M=27.2 kg. 
L=0.9m), con el que se realizan ensayos en aceros muy tenaces. 
Sin embargo, para materiales más frágiles, los cuales tienen una energía de fractura 
baja, se puede utilizar el diseño Instron Wolpert (M=2.02 kg. L=0.390 m), con el que se 
puede llegar a suministrar una energía máxima de 15 Joules. 
Las pruebas de impacto Charpy se realizan segúnnormas internacionales en las cuales 
se detallan las dimensiones de las probetas empleadas en este tipo de ensayo, asì 
como la forma de reportar los resultados de los mismos. De acuerdo con las normas 
ISO (International Organization for Standarization), los resultados de los ensayos de 
impacto, en probetas entalladas, se suelen expresar en )/( 2mkJ , 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 entalla )( nbh , figura 2.5, mientras que según las normas 
ASTM (American Society for Testing Materials) se reportan los resultados en (J/m), 
donde se divide esa energía absorbida entre la remanente en la base de la entalla )( nb 
Las probetas para estas pruebas, tiene forma de paralelepípedos con una sección 
transversal de 211 cm y 55 mm. De longitud. Según las normas ASTM, en su 
especificación E 23; tanto el percutor (sección de la masa M que golpea a la probeta) 
como el soporte de la probeta, deben tener dimensiones normalizadas, figura 2.7. 
37 
 
 
Figura 2.5 Probetas usadas en el ensayo Charpy, Dimensiones y detalle de la entalladura 
 
Las entalladuras o muescas pueden variar en su radio pero suele usarse una 
profundidad de 3mm. La figura 2.6 muestra diferentes muescas para un mismo material. 
 
Figura 2.6 Probetas con muescas a diferentes radios. 
 
 
 
 
 
38 
 
 
a) 
. 
b) 
Figuras 2.7 a) Detalle del soporte de la probeta, b) Dimensiones del percutor. 
 
 
 
39 
 
CAPÌTULO 3. 
DISEÑO DEL EQUIPO. 
3.1 Introducción. 
El presente trabajo de tesis tiene como objetivo, diseñar y construir un péndulo Charpy, con el 
fin de ponerlo en operación en el Laboratorio de Tecnología de Materiales de IME de la FES 
Cuautitlán, en este laboratorio se encuentra un péndulo Charpy , pero la capacidad de esta 
máquina es insuficiente, ya que la energía cinética que esta entrega en el momento de 
operación, no basta para la realización de las pruebas para la cual fue diseñada, este fue el 
principal motivo por el cual se decidió la realización de este trabajo, otro de los motivos fue la 
posibilidad de apoyar a la docencia y a las futuras generaciones, con dicho trabajo. 
3.2 Parámetros del diseño. 
Antes de tomar cualquier decisión en cuanto a como dar el primer paso para comenzar a 
construir nuestro diseño (o cualquier diseño), se deben de tomar en cuenta todos los aspectos 
que pueden influir a favor o en contra de dicho plan, esto es, se deben considerar desde 
aspectos económicos, infraestructura tecnológica, capacidad de transporte etc. Después de 
hacer una evaluación de los primeros bosquejos de los prototipos, se llego a la conclusión que 
cualquiera de estos debe cumplir tres parámetros fundamentales. 
Los parámetros que definieron el diseño fueron los siguientes: 
1.- Maquina capaz de entregar al menos 10 kg. m. 
2.- Bajo costo en la construcción de la máquina. 
3.-Cumpla con las normas internacionales establecidas. 
 
A partir de estos parámetros se hacen los cálculos necesarios para determinar con precisión, 
los diferentes elementos que componen dicha máquina, y posteriormente, sabiendo las 
características de estos, se decide la manera de manufacturarlos. 
 
40 
 
3.3 Cálculos de los parámetros. 
La energía cinética del péndulo Charpy esta en función de tres elementos a considerar: El 
àngulo desde el cual se deja libre el péndulo, la longitud y masa de este, en nuestro diseño, 
definido el ángulo en 120º, solo quedan variables la masa y la longitud del péndulo. 
 
Recordando la ecuación: 
)cos(cos   PLE ......... (A) 
Donde, y siguiendo el parámetro 1 en el listado del apartado 3.2: 
 


0
120
..10





mkgE
 
 
Se procede a evaluar, iterando los valores de P y L, se encuentra que con una longitud de 70 
cm. y un peso de 11.5 kg. se obtiene el siguiente resultado: 
 
   
..075.12
0cos120cos.7.0.5.11
mkgE
mkgE

 
 
 
De esta forma se cumple con el primer parámetro a considerar, es decir, conseguir al menos 
una energía de 10 kg.m. 
 
Sabiendo entonces que se necesitan 11.5 kg. Para la masa del péndulo y conociendo la 
densidad del hierro 3
.
86.7
m
kg
 y los perfiles comerciales existentes en el mercado, se 
procede a determinar la geometría de la masa: 
 
41 
 
Donde: 
.21.1994.25.1 2 kgespesordemmdeplacadem  
De igual forma se hacen iteraciones con la geometría de la placa y se encuentran las 
dimensiones que cumplan con el peso buscado, los planos de estas piezas se muestran en el 
capitulo siguiente. 
Todos los elementos que componen la máquina se seleccionaron a partir de sus propiedades 
mecánicas (dureza, tenacidad, desgaste a la corrosión, facilidad de maquinado etc.) Y 
especificaciones que proporciona el fabricante, así como la experiencia y conocimientos 
adquiridos, (tecnología de materiales, procesos de conformado, diseño de máquinas, diseño de 
elementos de máquinas etc.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
42 
 
CAPÍTULO 4. 
FABRICACION DEL EQUIPO. 
 
4.1 Introducción. 
En el presente capítulo se presentan los planos, de todas las piezas y componentes que 
conforman el equipo, en estos se especifica el material, dimensiones, acabados, 
especificaciones, forma de ensamble, tolerancias y demás información para su fabricación. 
 
Para la realización de los planos de las diferentes piezas y de los dibujos de conjunto se 
utilizaron las normas establecidas que dichos trabajos requieren. 
A continuación se listan algunas de estas normas así como una breve explicación de esta. 
 
 Dimensiones del papel de dibujo. 
Las dimensiones del papel donde se dibuja, se especifican en la norma NOM-Z-68-1986. Así 
para los dibujos de detalle se usarán hojas A4 y para el dibujo de conjunto la hoja A3. 
Para los márgenes y cuadros de referencia se utilizará la norma NOM-Z-66-1986, NOM-Z-68-
1986 y NOM-Z-71-1986. 
 Escalas. 
En ocasiones una pieza, dadas sus dimensiones, no se puede dibujar a tamaño real en las 
hojas antes mencionadas, en estos casos se utilizan escalas de ampliación o reducción para 
hacer más fácil su interpretación, la norma que rige este proceder es la NOM-Z-65-1986. 
 Acotaciones. 
Uno de los aspectos más importantes de un dibujo de detalle, son las dimensiones, estas y su 
forma de representarlas se especifican en la NOM-Z-25-1986. 
 
43 
 
 
4.2 Planos de diseño del péndulo Charpy. 
A continuación se presentan los planos de diseño de las diferentes piezas que componen 
nuestro equipo. La primera lamina, muestra la estructura que funciona como cuerpo de la 
máquina, las subsecuentes muestran el detalle de cada una de las piezas que forman el 
mecanismo de la máquina y al final se muestra el dibujo de conjunto donde se observan todos 
los elementos ensamblados. 
DETALLE A DETALLE B 
ESC:4:1 5 ESC:4:1 2 
~ 4 1 r" 
1I i t rT 
8 
~ '" V f-l 3--- -- '-'- f-e--2 ' I .1-
Til 
::d 11 ~ 14 
~ 
J! 
3 
L...~ Y f'-2 
4J 10 ~3 '" 15 
~ P 
HH I 
~ -~, 
16 1 BRAZO DE EL PENDULO COLO ROLLED BARRA 3/4 " 
3 
~ 
,,. 15 1 PASADOR ACERO 1020 , r" , 'll 14 1 PERCUTOR ACERO 4041 TEMPLADO \Y"'" I , 
I '\ 
13 1 PLACA LASTRE CENTRAl ACERO 1020 PLACA 1" 
~ 
, 
, 12 1 SOPRTE DE PROBETA DER COLO ROLLED 
I r-' 2 I 11 1 SOPRTE DE PROBETA Iza COLO ROLLED , 
I 
, 10 1 EJE COLO ROLLED BARRA 3/4 " 
, I 9 1 TOPE BRONCE EST ANDAR 
I 
, 
, 
~ h' 
8 1 AGUJt\ INDICADORA ACERO 1020 SOLERA 112" 
1 ~ n 7 1 PORTAMICA BRONCE EST ANDAR 
f-
"illJ' f- 6 1 BUJE BRONCE EST ANDAR 
5 1 CAAATULA MICA TRANSPARENTE 
4 1 ARO SOPORTE COLO ROLLED 
3 2 PLACAS SOPRTE ACERO 1020 PLACA 1/2" 
2 1 ESTRUCTURA ACERO PTR CUADRADO 1" 
1 4 PLACAS LASTRE ACERO 1020 PLACA 1" 
•• MOM •• MO ••••• "M"MOM"M"M'M"M • • •• • • • •• • "'MOM"M"M'M"M"M M"M"H • • • • M • "M"MO MOM •••••••••••••••• 
Ese 110 FES. CUAUTITLAN ABRIL 2011 ~ MOMOM M M MOOMOMOO 00 
AcoL cm Rey .. M.I. FüLR 
PENDULO PARA PRUBEA~ DE IMPACTO Figura 4.1 
o 
00 
ESC: 1:1 
Acot.: mm. 
1, 
40 
65 
FES. CUAUTITLAN 
PLACA LASTRE 
MAL ACERO 1020 
----- ¡a 
~ 
• w 
I ABRIL 2011 . _._- _ ... _---
Rev.: M.I. F.D.C.R 
Figura: 4.2 
o ro 
ESC: 1:10 
Acot.: cm. 
'1
5
1" 
+----I--,...:¡;;I'I~ 
FES. CUAUTITLAN ABRIL 2011 
Rev.: M.1. F.D.C.R 
ESTRUCTURA 
MAL PTR 1", PLACA 1/2" Figura: 4.3 
ESC: 1:1 
Acot.: mm. 
;[L--I _1_/4-Nc---,--1,!-+-' ---!-I _------11 
o o 
~ 
l. 
I 
11 ! 11 
W K: 
--\:~--
I 
• ••••••••• 
100 
FES. CUAUTITLAN I ABRIL 2011 
PLACA SOPORTE 
MAL ACERO 1020 
.1 
l!) 
N 
.................... , 
Rev.: M.I. F.D.C.R 
Figura: 4.4 
•••••• 
• ••••• 
ESC: 1:1 FES. CUAUTITLAN ABRIL 2011 
Acot.: mm. Rev.: M.I. F.D.C.R 
ARO SOPORTE 
MAL COLD ROLLED 
Figura: 4.5 
ESC: 1:1 
Acot.: mm. 
3,5 
C::::::::::::::::rJ:::::r:::::rr::::r::::II:====::::::J1=f 
• ••••••• 
-BQ---------{-~-~ 
SO 
1\) 
lO\) 
~\) 
~ 
~ 
FES. CUAUTITLAN 
CARATULA 
MAT: MICA 
ABRIL 2011 
Rev.: M.I. F.D.C.R 
Figura: 4.6 
• ••••••••• 
• ••••••••• 
I ! I 
I I I <D I I 
I 
, 
I ro 
I I I N 
I 
i 
I 
! ! 
ESC: 1:1 FES. CUAUTITLAN ABRIL 2011 
Acot.: mm. Rev.: M.I. F.D.C.R 
BUJE 
MAT: BRONCE ESTANDAR 
Figura: 4.7 
• ••••••••• •••••• 
• •• 
5/32-NC 
ESC: 1:1 FES. CUAUTITLAN ABRIL 2011 
Acot.: mm. Rev.: M.I. F.D.C.R 
PORTAMICA 
MAL BRONCE ESTANDAR 
Figura: 4.8 
101,6 
• ••••••••• • ••••••••• 
ESC: 1:1 FES. CUAUTITLAN 
Acot.: mm. 
AGUJA INDICADORA 
MAT: ACERO 1020 
--
22 
ABRIL 2011 
o 
<D 
3 
Rev.: M.I. F.D.C.R 
Figura: 4.9 
• ••••••••• • •••••••• 5132-NC 
~ , 
I 
ESC: 1:1 FES. CUAUTITLAN I ABRIL 2011 .................... , 
Acot.: mm. Rev.: M.I. F.D.C.R 
TOPE 
MAT: BRONCE ESTANDAR 
Figura: 4.10 
I 
I 
M' 
••••• 
! 
--; --l-----}----
I 
I 
I 
I 
¡ 
! 
o 
l!) 
~ 
! 
I 
ESC: 1:1 FES. CUAUTITLAN I ABRIL 2011 .................... , 
Acot.: mm. Rev.: M.I. F.D.C.R 
EJE 
-$--8- MAT:ACERO COLD ROLLED Figura: 4.11 
lE 
48,4 
.:·1 
~[ .'(1 
¡"--
'\ 3 
50 
~ 1[3 
ESC: 1:1 FES. CUAUTITLAN I ABRIL 2011 . .......... ........ ~ 
Acot.: mm. Rev.: M.I. F.D.C.R 
SOPORTE PROBETA IZQUIERDO 
-$--8- MAT.:ACERO COLD ROLLED Figura: 4.12 
48,4 
~. 
r· =:3 ~C 
l. 50 .1 
~I [] 
ESC: 1:1 FES. CUAUTITLAN I ABRIL 2011 ........... ........ ~ 
Acot.: mm. Rev.: M.I. F.D.C.R 
SOPORTE PROBETA DERECHO 
-$--8- MAT: ACERO COLD ROLLED Figura: 4.13 
•••• 
/ 
-jf- ~ 
n 
o 
<D 
~ 
o 
(") 
I o 
l!) 
l. 1 O .1 
ESC: 1:2 FES. CUAUTITLAN ABRIL 2011 ........... ........ ~ 
Acot.: mm. Rev.: M.I. F.D.C.R 
PLACA LASTRE CENTRAL 
$ 8 MAL ACERO 1020 Figura: 4.14 
1/4-NC 
-3 I'J '!" 
I 
w w 
WN 
L .I .... ~ 
ESC: 1:1 FES. CUAUTITLAN I ABRIL 2011 .................... , 
Acot.: mm. Rev.: M.I. F.D.C.R 
PERCUTOR 
-$--8- MAL ACERO 4140 Figura: 4.15 
~ 
ii 1 ii 3 11 , 11 11 111 11 11 
I 
1/4-NC 
~! V ~ I'v 
" V I 
1/4-NC 
V 
" ./ I 
o 
<D 
ESC: 1:1 FES. CUAUTITLAN I ABRIL 2011 .................... , 
Acot.: mm. Rev.: M.I. F.D.C.R 
PASADOR 
-$--8- MAL ACERO 1020 Figura: 4.16 
• ••••• 
I 
~ -;.--.¡ --}--, 
I 
I , 
I 
! 
l!) 
1"-
i 
i 
I 
ESC: 1:10 FES. CUAUTITLAN I ABRIL 2011 .................... , 
Acot.: cm. Rev.: M.I. F.D.C.R 
BRAZO DEL PENDULO 
-$--8- MAT: COLD ROLLED Figura: 4.17 
61 
 
 
CAPITULO 5 
PRUEBAS Y RESULTADOS 
5.1 Introducción. 
En este capítulo se presenta el método de operación del equipo diseñado y construido, 
así como algunos parámetros a considerar y resultados obtenidos en las pruebas 
realizadas, con el fin de verificar el estado y funcionamiento del dispositivo diseñado y 
fabricado para el Laboratorio de Tecnología de Materiales. 
Como en toda prueba de laboratorio, se deben seguir normas de seguridad, en el caso 
de la prueba de impacto, se deben considerar la no obstrucción del péndulo, cuando 
este se ponga en operación, ya sea del operario o algún observador, utilizar equipo de 
seguridad, y otras sugerencias y recomendaciones que se describirán en el transcurso 
del presente capítulo. 
 
5.2 Metodología de operación del dispositivo. 
1.-Libere el péndulo de la mordaza que lo retiene, esto se hace aflojando la tuerca 
mariposa, que libera al tornillo que sujeta dos piezas que conforman la mordaza. Figura 
5.1. 
 
Figura 5.1 Liberación del péndulo 
62 
 
2.-Coloque la probeta centrada, de tal forma, que la entalladura en la probeta, coincida 
verticalmente con el percutor, esto se hará manualmente y visualmente, la entalladura 
quedará orientada al lado opuesto del impacto del percutor. Figura 5.2. 
 
Figura 5.2. Colocación de la probeta 
 
3.-Eleve el péndulo hasta el tope, existente para tal efecto, coloque el seguro que 
retendrá a este, en este punto, se recomienda un solo operario y cero obstrucciones en 
el viaje que realizará el péndulo. Figura 5.3 
63 
 
 
Figura 5.3 Elevación del péndulo 
 
4.- Mueva la aguja indicadora de ángulo final, hacia atrás de forma que repose sobre la 
barra del péndulo, con esta acción se evita que la barra golpee la aguja y provoque un 
error de lectura, así la barra y la aguja se moverán de forma conjunta. Figura 5.4 
 
Figura 5.4 Ajuste de la aguja indicadora 
 
64 
 
 
 
5.-Libere el péndulo, recorriendo el pasador que lo sostiene. 
 
6.-Tome lectura del ángulo, indicado por la aguja sobre la carátula graduada, en este 
punto el péndulo ha impactado la probeta, fracturándola, este péndulo sigue oscilando, 
aunque su movimiento disminuye con el tiempo aun puede causar daño si no se tiene 
precaución. Figura 5.5 
 
Figura 5.5 Lectura del ángulo final 
 
6.-Ya con la lectura registrada, se procede a frenar el péndulo, que ya oscila a baja 
velocidad. 
 
7.-Repita el proceso, si hubiere más probetas, si no es el caso, se procede a colocar 
nuevamente la mordaza que sujeta el péndulo. 
 
8.-Realizada la prueba, se recogen las muestras y como toda máquina de laboratorio se 
limpia el área de trabajo. 
65 
 
5.3 Pruebas. 
Para la puesta a punto y prueba del equipo, se hicieron además de las probetas 
estandarizadas, otras probetas de dimensiones no estandarizadas, con el propósito de 
observar el comportamiento del dispositivo diseñado, en condiciones no estándar, así 
podemos establecer límites y capacidades del dispositivo, para tal efecto se opto por 
tres materiales diferentes, Aluminio, acero cold rolled y latón comercial, en el primer 
conjunto de pruebas, se decidió probar las probetas sobredimensionadas y/o de 
dimensiones menores a la estandarizada, en este caso fueron: acero cold rolled de ¼” , 
Aluminio de ¼” latón comercial de ¼” y Aluminio de ½”. 
 
Para el segundo y tercer conjunto de pruebas se utilizaron probetas estandarizadas 
como las que se muestran en la figura 5.6. En estos casos se utilizó latón y acero cold 
rolled. 
 
 
Figura 5.6. Probetas estándar para la prueba de impacto Charpy 
 
 
 
 
 
 
66 
 
5.4 Resultados. 
De acuerdo al apartado 5.2 y recordando la ecuación del apartado 2.4.1, la energía 
absorbida por la probeta durante la prueba de impacto se puede calcular por medio de 
la expresión siguiente: 
 
)cos(cos   PLE .........(A) 
Obteniéndose los resultados que se muestran en la tabla 5.1. 
 
Tabla 5.1. Resultados obtenidos en las pruebas realizadas 
Material Dimensiones α 
(º) 
ΔE 
(kg.m) 
Kg.m/cm2 
Cold rolled ¼” 90 * * 
Aluminio ¼” 100 * * 
Latón ¼” 94 * * 
Aluminio ½” 20 * * 
Aluminio ½” 25 * * 
Latón 3/8” 57 8.85 9.75 
Cold rolled 3/8” 52 9.45 10.41 
Latón 3/8” 75 6.43 7.08 
Latón 3/8” 66 7.68 8.46 
Latón 3/8” 79 5.85 6.44 
Cold rolled 3/8” 80 5.70 6.28 
Cold rolled 3/8” 81 5.56 6.12 
Nota: A= área de fractura 
 
La tabla muestra los valores de las pruebas realizadas, la primer columna muestra el 
material usado, la segunda las dimensiones de la probeta, la tercera muestro el ángulo 
leído después de la prueba, la cuarta, la energía absorbida por el material durante el 
impacto, la quinta y últimamuestra la energía absorbida entre el área transversal de la 
probeta. 
67 
 
Los valores con asterisco no se indican ya que estas pruebas se hicieron con las 
probetas sobredimensionadas y/o con dimensiones inferiores a la estandarizada, y 
estos valores no serán cercanos a la realidad, y la finalidad de estas primeras pruebas 
fue, observar el comportamiento del equipo diseñado. 
La figura 5.7 muestra algunas probetas después de haber sido impactadas, en ellas se 
pueden observar las fracturas obtenidas. 
 
Figura 5.7. Probetas fracturadas 
 
 
 
 
 
 
 
 
68 
 
 
CONCLUSIONES 
 
Después del trabajo realizado se pueden establecer las conclusiones siguientes: 
 
1. Los conocimientos adquiridos durante la carrera hacen factible y viable 
desarrollar proyectos, como el que este trabajo de tesis presenta, así como 
también ponen a prueba, la capacidad de resolución de problemas, en el 
ingeniero, donde, como en la práctica profesional, la vida diaria, laboral, estos se 
presentan y la solución debe ser pronta. 
 
2. Las instalaciones y equipos disponibles en los laboratorios de IME, permiten la 
manufactura, ensamble y construcción de equipos como el aquí desarrollado y 
fabricado. 
 
3. El producto final de cualquier proyecto, que concluya en la construcción de un 
equipo, máquina o dispositivo, demuestra, que siempre se puede mejorar un 
diseño, ya sea estéticamente, en el tiempo de producirlo, de transportarlo, mayor 
potencia, precisión o demás características que harán del equipo, ser más 
eficiente. 
 
4. El equipo construido cumple los objetivos, para los cuales se puso en marcha, 
entre ellos, suplir y complementar en otros casos, al equipo existente en el 
laboratorio de tecnología de materiales. 
 
5. Las pruebas realizadas demuestran que los valores obtenidos son muy 
semejantes a los de máquinas especializadas. Aunque el fin es didáctico este 
equipo tiene una resolución muy aceptable, 
 
 
 
69 
 
 
BIBLIOGRAFÍA 
 
1. Materiales de ingeniería y sus aplicaciones 
Richard A. Flinn. Y Paul K. Trojan. 
Mc Graw-Hill. México. 1982 
 
2. Diseño de Elementos de Máquinas. 
Robert L. Mott. 
Editorial Prentice Hall Hispanoamericana, México 1992. 
 
3. Diseño de Máquinas. 
Walter J. Michels, Charles E. Wilson. 
Editorial Continental, México 1987 
 
4. Dibujo y Diseño de Ingeniería. 
Cecil Jensen. 
Editorial Mc Graw Hill, México 2002 
 
5. Fundamentos de Dibujo en Ingeniería. 
Warren J. Luzzader. 
Editorial Continental, México 1985. 
70 
 
 
6. Diseño en Ingeniería Mecánica. 
Joshep Edgard Shigley. 
Editorial Mc Graw Hill, México 1979. 
 
7. El diseño mecánico. 
Antonio Serrano Nicolás. 
Editorial Mira Editores, España 1999 
 
8. Complete AutoCAD 
Cohn David S. 
Editorial Addison-Wesley Publishing Company Inc. EUA. 2002 
 
9. Introduction to AutoCAD designer 1.1 
Editorial PWS Publishing Company 
USA. 2005 
 
10. Técnica de laboratorio para pruebas de materiales. 
Carl A. Keyser. 
Editorial Limusa. México. 1986 
 
71 
 
 
	Portada
	Índice
	Introducción
	Capítulo 1. Propiedades y Pruebas Mecánicas
	Capítulo 2. Prueba de Impacto y su Normatividad
	Capítulo 3. Diseño del Equipo
	Capítulo 4. Fabricación del Equipo
	Capítulo 5. Pruebas y Resultados
	Conclusiones
	Bibliografía