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LABORATORIO DE INGENIERIA DE MATERIALES
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“AÑO DE LA INTEGRACION NACIONAL Y EL RECONOCIMIENTO DE NUESTRA DIVERSIDAD”
UNIVERSIDAD NACIONAL
MAYOR DE SAN MARCOS(Universidad del Perú, DECANA de América)
FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIALE.A.P.INGENIERIA INDUSTRIAL
TEMA:
ENSAYO DE CHARPY Curso : LABORATORIO DE INGENIERIA DE MATERIALES
Profesor : Lic. Rosales Urbano Víctor
Alumnos:
Vilcapoma Torres, Pedro Álvaro 10170033
Huachaca Ampuero, Carlos 10170252
Guanilo Lozano, Alejandro 10170002
Guevara López, Sergio Miguel 10170122
Díaz Solís, Mario Alberto 10170112
Ciudad universitaria, Julio del 2012
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INDICE
Contenido pag
1. Objetivo.........................................................................................69
2. Equipos / materiales....................................................................69
3. Características del material
1.1. Acero ......................................................................70
1.2. Características mecánicas y
tecnológicas del acero...........................................71
1.3. Propiedades físicas y químicas............................74
1.4. Ventajas y desventajas..........................................75
2. Fundamentos teóricos.................................................................76
3. Procedimiento experimental.......................................................79
4. Resultados....................................................................................83
5. Conclusiones................................................................................84
6. Sugerencias..................................................................................85
7. Bibliografía...................................................................................86
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ENSAYO DE CHARPY
I. OBJETIVOS:
Efectuar una prueba de impacto Charpy con pedazo de acero dulce.
Comprender el significado y las limitaciones de este tipo de pruebas.
II. EQUIPOS/MATERIALES:
Máquina de impacto de Charpy
Vernier
Goniómetro
Barra de acero dulce ST 32 con muesca en V tipo Charpy
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III. CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL:
Acero:
Acero es la denominación que comúnmente se le da en ingeniería
metalúrgica a una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable
entre el 0,1 y el 2,1% en peso de su composición, aunque normalmente
estos valores se encuentran entre el 0,2% y el 0,3%. Si la aleación posee
una concentración de carbono mayor al 2,0% se producen fundiciones que,
en oposición al acero, son quebradizas y no es posible forjarlas sino que
deben ser moldeadas.
No se debe confundir el acero con el hierro, que es
un metal relativamente duro y tenaz, con diámetro atómico (dA) de 2,48 Å,
con temperatura de fusión de 1.535 °C y punto de ebullición 2.740 °C. Por
su parte, el carbono es un no metal de diámetro menor (dA = 1,54 Å),
blando y frágil en la mayoría de sus formas alotrópicas (excepto en la forma
de diamante). La difusión de este elemento en la estructura cristalina del
anterior se logra gracias a la diferencia en diámetros atómicos.
El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro,
pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no
metálicos mejora sus propiedades físico-químicas.
Existen muchos tipos de acero en función del o los elementos aleantes que
estén presentes. La definición en porcentaje de carbono corresponde a
los aceros al carbono, en los cuales este no metal es el único aleante, o hay
otros pero en menores concentraciones. Otras composiciones específicas
reciben denominaciones particulares en función de múltiples variables como
por ejemplo los elementos que predominan en su composición (aceros al
silicio), de su susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de
cementación), de alguna característica potenciada (aceros inoxidables) e
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incluso en función de su uso (aceros estructurales). Usualmente estas
aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica de aceros
especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los
comunes o "al carbono" que además de ser los primeros fabricados y los
más empleados, sirvieron de base para los demás. Esta gran variedad de
aceros llevó a Siemens a definir el acero como «un compuesto de hierro y
otra sustancia que incrementa su resistencia».
Los dos componentes principales del acero se encuentran en abundancia
en la naturaleza, lo que favorece su producción a gran escala. Esta
variedad y disponibilidad lo hace apto para numerosos usos como
la construcción de maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas,
contribuyendo al desarrollo tecnológico de las sociedades industrializadas.
A pesar de ello existen sectores que no utilizan acero (como la
construcción aeronáutica), debido a su densidad (7.850 kg/m³ de densidad
en comparación a los 2.700 kg/m³ del aluminio, por ejemplo).
Características mecánicas y tecnológicas del acero
Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero
debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos
tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse
aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de
aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:
Su densidad media es de 7850 kg/m³.
En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.
El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes
de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de
alrededor de 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero
presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C,
y en general la temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que
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se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes. (excepto las
aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido
funde a 1.650 °C.
Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.
Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones
usadas para fabricar herramientas.
Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.
Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La
hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor,
recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.
Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de
recibir un tratamiento térmico.
Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se
deforman al sobrepasar su límite elástico.
La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr
mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los
cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros
con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial,
conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros
típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en
las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que
contienen cantidades significativas de cromo, wolframio,
molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza
son Brinell,Vickers y Rockwell, entre otros.
Se puede soldar con facilidad.
La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro
se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando
grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se
consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido
protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen
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aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de
construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los
aceros inoxidables.
Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición
es aproximadamente de 3 · 106 S/m. En las líneas aéreas de alta tensión se
utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero
proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para
incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación.
Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya que una
pieza de acero imantada no pierde su imantación si no se la calienta hasta
cierta temperatura. La magnetización artificial se hace por contacto,
inducción o mediante procedimientos eléctricos. En lo que respecta al acero
inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el imán, pero al acero
inoxidable austenítico no se le pega el imán ya que la fase del hierro
conocida como austenita no es atraída por los imanes. Los aceros
inoxidables contienen principalmente níquel y cromo en porcentajes del
orden del 10% además de algunos aleantes en menor proporción.
Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un
aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede
valorarse por la expresión: δL = α δ t° L, siendo a el coeficiente de
dilatación, que para el acero vale aproximadamente 1,2 · 10−5 (es decir α =
0,000012). Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes
problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o
menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen
esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. El acero se dilata
y se contrae según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de
dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la
construcción, formando un material compuesto que se denomina hormigón
armado. El acero da una falsa sensación de seguridad al ser incombustible,
pero sus propiedades mecánicas fundamentales se ven gravemente
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afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el
transcurso de un incendio.
En estos aceros son fundamentales ciertas propiedades de orden mecánico, como
la resistencia a la tracción, tenacidad, resistencia a la fatiga y alargamiento.
Estas propiedades dependen principalmente del porcentaje de carbono que
contienen y demás aleantes.
En general los aceros al carbono ordinarios contienen menos de 1% de Carbono,
menos de 0,9% de manganeso (Mn), menos del 0,5% de Silicio, menos del 0,1%
Fosforo (P) y menos del 0,1 de Azufre.
Según las propiedades mecánicas, se establecen una serie de grupos de aceros
ordenados por su resistencia a la tracción. Popularmente son conocidos estos
aceros como: Acero extradulce, dulce, semidulce, semiduro y duro.
Acero dulce
El porcentaje de carbono es de 0,25%, tiene una resistencia mecánica de 48 -
55 kg/mm2 y una dureza de 135-160 HB. Se puede soldar con una técnica
adecuada.
Aplicaciones: Piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación en
frío, embutición, plegado, herrajes, para armazones metálicos, barras perfiladas,
pernos, alambres y para la fabricación de piezas de automóviles.
Propiedades Físicas y químicas:
o Este tipo de acero tiene una resistencia a la tracción inferior a 270 MPa.
o No es dúctil ni maleable.
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Ventajas:
o Es Barato.
o Existe una amplia variedad disponible con diferentes propiedades.
o Es magnético y de alta rigidez, lo que significa que es ampliamente
utilizado en los motores y aparatos eléctricos.
Desventajas:
o Posee poca resistencia a la corrosión, implicando que se oxide.
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IV. FUNDAMENTO TEÓRICO:
El ensayo de impacto Charpy, también conocido como el Charpy muesca en V de
prueba, es un normalizado de alta tensión del tipo de ensayo que determina la
cantidad de energía absorbida por un material durante la fractura. Esta energía
absorbida es una medida de un material dado de tenacidad y actúa como una
herramienta para estudiar dependiente de la temperatura de transición dúctil-
frágil. Se aplica extensamente en la industria, ya que es fácil de preparar y llevar a
cabo y los resultados se pueden obtener de
forma rápida y barata. Una desventaja
importante es que todos los resultados son
sólo comparativos.
La prueba fue desarrollada en 1905 por el
científico francés Georges Charpy . Fue
fundamental en la comprensión de los
problemas de fractura de los barcos durante la
Segunda Guerra Mundial. Hoy en día se utiliza
en muchas industrias de materiales de prueba
utilizados en la construcción de recipientes a
presión y puentes y para determinar cómo las
tormentas afectarán a los materiales utilizados en ellos.
El aparato consiste en un péndulo hacha pivotar en una muestra de material con
muescas. La energía transferida al material puede deducirse comparando la
diferencia en la altura del martillo antes y después de una fractura grande.
La muesca de la muestra afecta los resultados de la prueba de impacto, por lo
tanto es necesario que la muesca a ser de dimensiones normales y la
geometría. El tamaño de la muestra también pueden afectar los resultados, ya que
las dimensiones determinar si o no el material está en deformación plana. Esta
diferencia puede afectar enormemente a las conclusiones hechas.
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Los "métodos estándar para la prueba de resilencia de los Materiales Metálicos"
se pueden encontrar en la norma ASTM E23, la norma ISO 148-1 o EN 10045-1,
donde todos los aspectos de la prueba y los equipos utilizados son describen en
detalle.
Los resultados cuantitativos
El cuantitativa resultado de los ensayos de impacto de la energía necesaria para
fracturar un material y se puede utilizar para medir la dureza del material y
la resistencia a la fluencia .Además, la velocidad de deformación puede ser
estudiado y analizado por su efecto sobre la fractura.
La temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) se puede derivar de la
temperatura donde la energía necesaria para fracturar el material cambia
drásticamente. Sin embargo, en la práctica no hay una transición brusca y es difícil
obtener una temperatura de transición precisa. Un DBTT exacto puede ser
derivado empíricamente en muchas formas: una energía específica absorbida, el
cambio en los aspectos de la fractura (tal como 50% de la superficie es la
escisión), etc.
Los resultados cualitativos
Los cualitativos resultados de la prueba de impacto se puede utilizar para
determinar la ductilidad de un material. Si se rompe el material sobre una
superficie plana, la fractura fue frágil, y si se rompe el material con los bordes
dentados o labios de cizallamiento, a continuación, la fractura era dúctil. Por lo
general, un material no se rompe en un solo sentido o en otro, y por lo tanto
comparando el dentado a las zonas superficiales planas de la fractura dará una
estimación del porcentaje de fractura dúctil y frágil.
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Ejemplos de tamaños
De acuerdo con la norma ASTM A370, del tamaño de la muestra estándar para
las pruebas de impacto Charpy es de 10 mm × 10 mm × 55 mm. Subsize tamaños
de la muestra son: 10 mm × 7,5 mm × 55 mm, 10 mm × 6,7 mm × 55 mm, 10 mm
x 5 mm × 55 mm, 10 mm × 3,3 mm × 55 mm, 10 mm x 2,5 mm x 55 mm. Detalles
sobre los especímenes según la norma ASTM A370 (Método de prueba estándar y
definiciones para los ensayos mecánicos de productos de acero).
De acuerdo con la norma EN 10045-1, son los tamaños estándar de muestras
10mmx10mmx55mm. Especímenes Subsize son: 10mmx7.5mmx55mm y
10mmx5mmx55mm.
De acuerdo con la norma ISO 148, los tamaños estándar de especímenes son
10mmx10mmx55mm. Especímenes Subsize son: 10mmx7.5mmx55mm,
10mmx5mmx55mm y 10mmx2.5mmx55mm.
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V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:
1. Con la barra de metal que el profesor nos ha entregado procedemos a
medir la profundidad de la hendidura que en nuestro experimento vendría
hacer de 7 mm.
2. Luego fijamos un punto fijo en el extremo de la barra, este punto nos
servirá como referencia para medir el ángulo de desviación de cada
impacto.
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α
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3. Pasamos al ensayo de Charpy donde alzamos el bloque desde un ángulo
aproximado 90º y dejamos caer al impactar con la barra, esta se va
deformando por la serie de golpes hechos.
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4. Una vez realizado el primer impacto se procederá a medir la distancia “d”
mediante el uso del vernier
5. Una vez medido la distancia “d” se procederá a medir el ángulo de desviación α,
para ello utilizaremos el goniómetro
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6. Finalmente se tomara apuntes de los datos registrados y procederá a realizar el
segundo impacto y así sucesivamente hasta que aparezca una fisura.
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VI. RESULTADOS:
ImpactoAngulo del
impacto
Distancia “d”
(mm)
Angulo
después del
impacto α°
1 90° 11.65 19°10’
2 90° 15.4 31°50’
3 90° 17.7 37°35’
4 90° 19.4 41°10’
Grafico ensayo Charpy
Series2
Distancia “d” (mm)
Angu
lo d
espu
és d
el im
pact
o α°
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VII. CONCLUSIONES:
La capacidad de un material para resistir el impacto suele denominarse tenacidad
del material.
La prueba de Impacto nos permite medir el grado de resistencia a la ruptura que
tiene un material, una de las pruebas es el péndulo de Charpy.
La muesca en forma de V que se le hace al material antes de someterlo a la
prueba de Charpy nos permite medir mejor la resistencia del material a la
propagación de la fractura
Al finalizar la prueba nos damos cuenta que tanto los valores del ángulo de
desviación y la distancia son casi constantes.
El material sometido a la prueba de Charpy nunca llega a romperse.
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VIII. SUGERENCIAS:
Después que el bloque golpea el material debemos sujetarlo para que no lo golpee
por segunda vez ya que esto alteraría nuestros resultados.
Tener cuidado al momento de medir de los ángulos y las distancias con el
goniometro y el vernier respectivamente.
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IX. BIBLIOGRAFÍA:
DONALD ASKELAND, La ciencia e Ingeniería de los materiales: Editorial Ibero
Americana. 2008.
SHACKELFORD, J.F, Ciencia de los Materiales para Ingenieros Editorial
Pearson, 2008.
SMITH, William F, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de materiales,
Editorial Mc Graw Hill. 2008.
SCHAFFER, SAXENA, ANTOLOVICH, Ciencia y diseño de materiales para
ingeniería, Editorial Mc Graw Hill. 2008.
KEYSER, Carl A., Ciencia de Materiales para Ingeniería, Edit. Limusa. 2008.
LAS HERAS, José María, Tecnología de los Materiales Industriales, Editorial
Reverte, 2009.
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