Ensayo-de-impacto-8 0 (2)

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Universidad Nacional Experimental Politécnica
“Antonio José de Sucre”
Vice-Rectorado “Luís Caballero Mejías”
Núcleo Guarenas
Laboratorio de Materiales
Carla Rodríguez 201220143
Aymar Romero 2013200174
ENSAYO DE IMPACTO
RESUMEN
En la práctica N° 3, se realizó el ensayo de impacto a 5 probetas de acero al carbono 1045, cada una a diferente temperatura, para determinar su respectiva resiliencia, la temperatura de transición y el comportamiento que presentan las mismas al fracturar.
Se obtuvieron como resultados en el ensayo de impacto, para la probeta 1, con una temperatura de 28 °C, una resiliencia de 0,0150 KgF/mm2. Para la probeta 2, con una temperatura de 11 °C, una resiliencia de 0,0125 KgF/mm2. Para la probeta 3, con una temperatura de -1 °C, una resiliencia de 0,0100 KgF/mm2. Para la probeta 4, con una temperatura de 90 °C, una resiliencia de 0,0200 KgF/mm2. Para la probeta 5, con una temperatura de 52 °C, una resiliencia de 0,0225 KgF/mm2.
Estos resultados indican que existe dispersión en ellos y que además a mayor temperatura, el material posee una mayor resiliencia, por que, el mismo tiende a fracturarse dúctilmente; y a menor temperatura, el material absorbe menos energía, es decir, tiene menos resiliencia, por lo que tiende a fracturarse frágilmente.
MARCO TEÓRICO
El ensayo de impacto tiene por objetivo determinar la capacidad que tiene el material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la fractura de la probeta de un solo choque, el que se refiere a la unidad de área, para obtener lo que se denomina resiliencia.
Resiliencia: es la magnitud que cuantifica la cantidad de energía que un material puede absorber al romperse por efecto de un impacto, por unidad de superficie de rotura. Se define como:
Tenacidad: es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturar. La energía absorbida del material es igual a la energía potencial
Uno de los métodos más simples de medida de la tenacidad es la que se mide mediante un aparato de pruebas de impacto. Un método de utilización de este aparato es situar una muestra con talla V Charpy a través de las mordazas paralelas de la máquina. En la prueba de impacto se lanza un pesado péndulo desde una altura conocida, que golpea la muestra en su trayectoria descendente, fracturándolo. Mediante el conocimiento de la masa del péndulo y de la diferencia entre su altura inicial y final, puede medirse la energía absorbida por la fractura. 
Este ensayo de impacto puede utilizarse para determinar el intervalo de temperaturas para la transición de un comportamiento dúctil a frágil de los metales y aleaciones al disminuir la temperatura.
Ensayo de impacto sobre probeta ensayada: Las probetas pueden ser de formas variables. Estas definen por sí mismas tipos de ensayo como el Charpy en U o en V, Izod, DVM, etc. Esto es consecuencia de la fuerte incidencia que la forma de la probeta induce en la energía unitaria absorbida en la fractura.
Su variabilidad es determinada por los parámetros siguientes:
a) Forma de la entalla que se le practica en el centro de la barreta prismática. En la siguiente figura se observan diversas formas de entalla que han sido aprobadas por normativas oficiales EN, ASTM, etc
b) Tipo de apoyo de la probeta en el péndulo, utilizándose:
1. Dos apoyos en los extremos, probeta biarticulada; por ejemplo el ensayo Charpy.
2. Empotramiento en un extremo; por ejemplo el ensayo Izod.
Fractura: es la separación de un sólido bajo tensión en dos o más piezas. En general la fractura metálica puede clasificarse en dúctil y frágil, pero puede ser una mezcla de las dos. 
Fractura dúctil: es un modo de fractura caracterizado por una lenta propagación de la grieta. Las superficies de los metales con fractura dúctil son usualmente mates con apariencia fibrosa. Se suele producir en forma transgular (a través de los granos) en los metales con buena ductilidad y tenacidad. Con frecuencia, se observa una deformación apreciable, incluyendo la formación de un cuello, un entallamiento o estricción localizada, en el componente que falló. La deformación sucede antes de la fractura final.
Fractura frágil: es un modo de fractura caracterizado por una rápida propagación de la grieta. Las superficies de los metales con fractura frágil son normalmente brillantes con apariencia granular. Usualmente se produce a lo largo de planos cristalográficos específicos denominados planos de fractura bajo una tensión normal al plano de fractura. Muchos metales con estructura HCP comúnmente muestran fractura frágil debido a sus números limitados de planos de deslizamiento. Muchos metales BCC como el hierro alfa, molibdeno y tungsteno también fracturan de forma frágil a bajas temperaturas y grandes deformaciones. 
La mayoría de las fracturas frágiles en los metales policristalinos son transgranulares; es decir, la grieta se propaga a través de la matriz de los granos. Sin embargo, la fractura frágil puede ocurrir de forma intergranular si los límites de grano contienen una lámina frágil o si la región del límite de grano se ha vuelto frágil por segregación de elementos perjudiciales. 
Se cree que la fractura frágil en los metales tiene lugar en tres estados:
· La deformación plástica concentra las dislocaciones a lo largo de los planos de deslizamiento en obstáculos.
· La tensión de cizalla se acumula en lugares donde las dislocaciones se bloquean, y como resultado se nuclean microgrietas.
· Una posterior tensión propaga las microgrietas, y la energía de deformación elástica almacenada puede contribuir a la propagación de las grietas.
Las bajas temperaturas y altas deformaciones favorecen la fractura frágil. También un estado triaxial de tensión como el que existe en una mella puede contribuir a una fractura frágil.
En un ensayo de impacto se pueden obtener propiedades como la temperatura de transición, la sensibilidad a las muescas y una relación entre el diagrama esfuerzo-deformación
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 específica, 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 al material.
No todos los materiales tienen una temperatura de transición bien definida; los metales BCC tienen una temperatura de transición, pero las mayorías de los FCC no la tienen. Los metales FCC absorben valores altos de energía durante las pruebas de impacto; esta energía disminuye gradualmente e incluso a veces se incrementa conforme se reduce la temperatura. 
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 menores en probetas con muesca si dicho materiales 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 resiliencia 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.
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.
Acero 1045: Es un acero donde el hierro es la parte principal. Contiene algunos otros elementos dentro de un rango especificado. El primer elemento es el carbono, con un intervalo de 0,43 por ciento a 0,50 por ciento. El siguiente es la silicona, con un intervalo de 0,10 por ciento a 0,60 por ciento. La última aleación es el manganeso, con un rango permisible de 0.60 por ciento a 0,90 por ciento. El fósforo a veces se puede encontrar en este producto, a un máximo de 0,04 por ciento. Utilizado ampliamente en elementos estructurales que requieren de mediana resistencia mecánica y tenacidad a bajo costo. Posee baja soldabilidad, buena maquinabilidad y excelente forjabilidad.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
· Materiales:
· 5 probetas de acero al carbono 1045 de sección cuadrada de 10 mm de cada lado, y 55 mm de longitud total, con un entalle en V con un ángulo de 45º que tiene una profundidad de 2mm y un área de sección transversal de 80 mm².
· Equipos:
· Máquina de péndulo Charpy METROCOM 6739-76
· Medidor de temperatura TMC-80
· Horno OMEGA CN76000
· Desbastadora Buehler DAP-2
· Herramientas:
· 1 Vernier
· 2 Guantes
· Procedimiento de la práctica:
Para realizar el ensayo de impacto, aplicando el método Charpy a cada una de las probetas, el procedimiento a seguir fue el siguiente:
1. Se desbasta la probeta en caso de que tenga óxidos.
2. Se coloca en cero la escala de la máquina.
3. Se realiza una prueba en blanco (sin colocar la probeta) para verificar que la máquina esté calibrada.
4. Se coloca la probeta sobre soportes coincidiendo el plano de simetría de la entalla con el plano medio de la distancia entre ellos (tolerancia de 0,05 mm), de forma tal que el impacto se efectúe en la cara opuesta a la entalla y sobre el plano de simetría que lo contiene.
5. Se mide la temperatura de la probeta con el multímetro digital.
6. Se arma el péndulo.
7. Se acciona el péndulo para producir el impacto.
8. Cuando en el ensayo no se produce una fractura de la probeta sino deformación, el ensayo no es válido.
9. Se lee la energía absorbida por la probeta directamente sobre la escala y se reporta en KgF
RESULTADOS
· Tablas de Datos:
	TABLA 1
	N° probeta
	Temperatura (°C)
	Energía absorbida (KgF)
	Tipo de fractura
	1
	28
	1,2
	Frágil
	2
	11
	1,0
	Frágil
	3
	-1
	0,8
	Frágil
	4
	90
	1,6
	Mixta
	5
	52
	1,8
	Mixta
· Tabla de Resultados
	TABLA 1
	N° Probeta
	Resiliencia (KgF/mm2)
	1
	0,0150
	2
	0,0125
	3
	0,0100
	4
	0,0200
	5
	0,0225
· Gráficas
	
· Cálculos Modelo:
· Resiliencia: 
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Con los resultados obtenidos al realizar el ensayo de impacto a 5 probetas de acero al carbono 1045, se puede observar que, la energía absorbida y la resiliencia fue menor en la probeta n° 3 que tenía una temperatura de -1 °C, esto se debe a que cuando las temperaturas son muy bajas, no existe ningún movimiento atómico y esto evita que las dislocaciones se muevan y se presente una deformación plástica. Por esto, el acero 1045 sometido a bajas temperaturas está más propenso a fracturar y tiene un comportamiento frágil. Esto se corrobora con el aspecto de la superficie de fractura, pues es un indicador de la naturaleza de la fractura: frágil, mixta o dúctil. 
La huella de la fractura de la probeta n° 3, es característica de una fractura frágil, pues la misma tuvo una textura rugosa o granular como resultado de cambios en la orientación de los planos de clivaje de un lugar a otro; sin deformación a simple vista, debido a la rápida propagación de la grieta, la cual tiene lugar a lo largo de los límites de grano o en los planos críticos de grano, lo que ocasiona un corte al ras, causando una superficie de fractura generalmente plana; marcas radiales que se extienden por toda la superficie formando en las superficies libres una zona de desgarramiento debido al alivio del estado de tensiones triaxiales; y aspecto cristalino, debido a que cada cristal tiende a fracturarse en un plano de fractura único, donde la propagación de la grieta pertenece a sucesivas rupturas de los enlaces atómicos, a lo largo de determinados planos cristalinos que varían ligeramente de un cristal a otro. 
Asimismo, estas características se presentaron en las huellas de fractura de las probetas 1 y 2, con una temperatura de 28 °C y 11 °C respectivamente, mostrando que en este rango de temperatura, el material sigue teniendo un comportamiento frágil. Sin embargo, la energía absorbida y la resiliencia fueron mayores, debido a que a medida que se aumenta la temperatura, el clivaje se hace más difícil y esto se manifiesta en un aumento de la tenacidad del material, dando lugar a la zona de transición dúctil-frágil. Esta transición pudo verse a simple vista con las huellas que presentaron las probetas 4 y 5 con una temperatura de 90 °C y 52 °C, respectivamente. Dichas huellas determinaron un comportamiento mixto (frágil-dúctil) en el material, presentando una pequeña deformación en los extremos, dando como resultado una ligera reducción de área, que ocasiona una rotura a través de los cristales deformados (característica de fractura dúctil). En la superficie de fractura de ambas probetas, se observaron marcas radiales (característica de fractura frágil) y una textura menos rugosa que en las probetas anteriores. 
En las gráficas se puede observar que la temperatura de transición está comprendida por un rango de temperaturas. Sin embargo, no se puede decir con exactitud cuando comienza y finaliza la temperatura de transición del material, para ello habría que hacer mucho mas ensayos, pero, en el caso del realizado a las probetas, se puede decir que, la temperatura de transición está comprendido dentro de un rango que comienza a partir de 28°C y finaliza a 90°C. En este rango, el acero 1045 tiene comportamiento frágil-dúctil, es decir, combinado. Es importante señalar que si se aumenta la temperatura, el material experimentara un comportamiento totalmente dúctil, y que si la temperatura fuera más baja experimentaría un comportamiento totalmente frágil.
No obstante, hubo ausencia de una probeta de acero al carbono 1045 que, al fracturar, reuniera todas las características que presenta una huella dúctil, por lo que el material no llegó a tener un comportamiento totalmente dúctil.
Cabe destacar, que existió dispersión en los resultados, esto se aprecia claramente en la probeta n° 4 la cual se ensayo cuando poseía una temperatura de 90°C, en la que se observa que la energía absorbida, y por tanto, la resiliencia es mucho menor que en la probeta ensayada n° 5, la cual corresponde con una temperatura de 52 °C. Esta dispersión se debe a las variaciones en las propiedades internas del acero, y a la dificultad para reproducir entallas en la probeta, pues es esencial en ellas, su forma y su profundidad respectiva, así como la manera en la que se colocan las probetas en la máquina para realizar el posterior ensayo. 
CONCLUSIONES
Al realizar el ensayo de impacto a 5 probetas de acero al carbono 1045 se verificó que:
· La resiliencia cuando el acero presentó temperaturas bajas fue menor.
· La resiliencia cuando el acero presentó temperaturas altas fue mayor.
· La temperatura de transición estuvo comprendida en un rango de temperaturas.
· El acero al carbono 1045 presentó un comportamiento de fractura frágil a partir de una temperatura de -1°C hasta los 28 °C.
· El acero al carbono 1045 presentó un comportamiento de fractura mixta (frágil-dúctil), a partir de 28 °C hasta los 90 °C.
· A diferentes temperaturas, el material se comporto diferente.
· Existió dispersión en los resultados.
· El acero no presentó un comportamiento dúctil.
· El aspecto de la superficiede fractura indicó la naturaleza de la misma.
· El ensayo de impacto midió la capacidad que tiene el material de absorber energía.
Gráfica 1: Energía absorbida vs Temperatura
Serie 1	-1	11	28	52	90	0.8	1	1.2	1.8	1.6	Temperatura (°C)
Energía absorbida (KgF/mm²)
Grafica 2: Resiliencia vs Temperatura
Serie 1	-1	11	28	52	90	1.0000000000000005E-2	1.2999999999999998E-2	1.4999999999999998E-2	2.3E-2	2.0000000000000011E-2	Columna1	-1	11	28	52	90	Columna2	-1	11	28	52	90	Temperatura (°C)
Resiliencia (KgF/mm²)