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DISEÑO DE UN PÉNDULO DE IMPACTO TIPO CHARPY PARA EL LABORATORIO
DE MATERIALES DE LA PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA CALI.
DAVID IOAM ARIAS CORTEZ
KOYI MAURICIO NAKATA JARAMILLO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA CALI
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA INDUSTRIAL
SANTIAGO DE CALI
2016
DISEÑO DE UN PÉNDULO DE IMPACTO TIPO CHARPY PARA EL LABORATORIO
DE MATERIALES DE LA PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA CALI.
DAVID IOAM ARIAS CORTEZ
KOYI MAURICIO NAKATA JARAMILLO
Trabajo de grado
Directora
Dra. Adriana Gómez Gómez
Ingeniera Mecánica
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA CALI
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA INDUSTRIAL
SANTIAGO DE CALI
2016
Contenido
1. OBJETIVOS ............................................................................................................................... 4
1.1. Objetivo General ................................................................................................................. 4
1.2. Objetivos Específicos .......................................................................................................... 4
1.2.1. Determinar el rango de energía necesario para evaluar los materiales metálicos que serán puestos a prueba en el laboratorio de materiales de la PUJ Cali. ....................................... 4
1.2.2. Definir las características de diseño del péndulo de impacto con base en los parámetros establecidos en la norma ASTM E23. ...................................................................... 4
1.2.3. Detallar el procedimiento para la realización de la práctica de laboratorio del ensayo de impacto en el laboratorio de materiales de la PUJ Cali mediante la elaboración de la guía de laboratorio. .................................................................................................................................. 4
1.2.4. Determinar la viabilidad de construcción del péndulo con relación a su adquisición de este en compañías autorizadas y construirlo si se demuestra que es viable económicamente. 4
2. MARCO TEÓRICO .................................................................................................................... 5
2.1. Antecedentes ....................................................................................................................... 5
2.2. Marco Teórico ..................................................................................................................... 9
2.2.1. Tenacidad .................................................................................................................... 9
2.2.2. Ensayo de Impacto .................................................................................................... 10
2.2.3. Péndulo de Impacto ................................................................................................... 11
2.2.4. Tipos de Materiales ................................................................................................... 11
2.2.5. Materiales Metálicos ................................................................................................. 12
2.2.6. Norma ASTM E23 .................................................................................................... 14
2.2.7. Metodología de Diseño ............................................................................................. 14
2.2.8. Guía de Laboratorio .................................................................................................. 15
2.2.9. Seguridad Industrial .................................................................................................. 16
3. METODOLOGÍA Y DESARROLLO ...................................................................................... 17
3.1. Etapa de Planear ................................................................................................................ 17
3.1.1. Identificación del problema ....................................................................................... 17
3.1.2. Descripción y funcionamiento de las partes de un péndulo de impacto Charpy ....... 18
3.1.3. Guía de Laboratorio .................................................................................................. 21
3.2. Identificación de restricciones. .......................................................................................... 22
3.2.1. Rango de energía ....................................................................................................... 22
3.2.2. Materiales a utilizar para la construcción del prototipo ............................................ 29
3.3. Diseño del péndulo y elaboración de la guía de laboratorio. ............................................ 31
3.3.1. Diseño del prototipo del péndulo de impacto tipo Charpy ........................................ 31
3.3.2. Elaboración de la guía de laboratorio sobre el ensayo de tenacidad ......................... 52
3.3.3. Determinación de las pérdidas de energía por fricción ............................................. 52
3.4. Verificación. ...................................................................................................................... 53
3.4.1. Determinar la viabilidad de construcción del péndulo con relación a su adquisición en compañías autorizadas .......................................................................................................... 53
4. RESULTADOS OBTENIDOS ................................................................................................. 54
5. CONCLUSIONES .................................................................................................................... 55
6. RECOMENDACIONES ........................................................................................................... 57
7. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 58
8. ANEXOS ................................................................................................................................... 60
ANEXO A. Guía de Laboratorio Ensayo Charpy ............................................................................. 60
ANEXO B. COTIZACIÓN ADVANCED INSTRUMENTS LTDA. .............................................. 69
ANEXO C. COTIZACIÓN AR INGENIERÍA Y MONTAJE ......................................................... 70
ANEXO D. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO EJE DEL BRAZO ................................... 71
ANEXO E. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO BASE MONTAJE ................................... 72
ANEXO F. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO COLUMNA DE SOPORTE VERTICAL IZQUIERDA ..................................................................................................................................... 73
ANEXO G. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO COLUMNA DE SOPORTE VERTICAL DERECHA ........................................................................................................................................ 74
ANEXO H. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO YUNQUE IZQUIERDO ......................... 75
ANEXO I. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO YUNQUE DERECHO ............................. 76
ANEXO J. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO SOPORTE MUESTRA IZQUIERDO ..... 77
ANEXO K. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO SOPORTE MUESTRA DERECHO ....... 78
ANEXO L. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO BRAZO ................................................... 79
ANEXO M. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO MARTILLO ........................................... 80
ANEXO N. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO IMPACTADOR ...................................... 81
ANEXO O. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO GANCHOS DE SUJECIÓN ................... 82
ANEXO P. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO SISTEMA DE SEGURIDAD FRENO .... 83
ANEXO Q. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO BRAZO DEL FRENO ............................ 84
ANEXO R. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO PIN DEL FRENO ................................... 85
ANEXO S. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO EJE DEL FRENO .................................... 86
ANEXO T. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO PALANCA DEL FRENO ....................... 87
ANEXO U. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO DIAL ....................................................... 88
ANEXO V. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO DIAL DE ARRASTRE ........................... 89
ANEXO W. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO TABLERO DEL DIAL .......................... 90
ANEXO X. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO TORNILLO DE ARRASTRE ................ 91
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Resumen de aceros en la región .......................................................................................... 22
Tabla 2. Configuraciones de parámetros para un péndulo de 250 J con un brazo S de 0.6 m .......... 28
Tabla 3. Configuración de parámetros para el péndulo de 250J seleccionada .................................. 28
Tabla 4. Resumen de propiedades mecánicas de materiales para la construcción del prototipo ...... 29
Tabla 5. Lista de piezas del péndulo de impacto tipo Charpy. .......................................................... 32
Tabla 6. Medidas en pulgadas del rodamiento SEALMASTER SF-32. ........................................... 44
Tabla 7. Medidas en pulgadas del rodamiento SEALMASTER SP-24. ........................................... 45
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Funcionamiento Teórico del Péndulo tipo Charpy...................................................... 18
Ilustración 2. Partes a diseñar del péndulo de impacto tipo Charpy. ................................................ 19
Ilustración 3. Plano de montaje 1. ..................................................................................................... 31
Ilustración 4. Plano de montaje 2 ...................................................................................................... 32
Ilustración 5. Vista 3D Base de montaje principal. ........................................................................... 33
Ilustración 6. Vista 3D Columna izquierda de soporte vertical......................................................... 34
Ilustración 7. Vista 3D Columna izquierda del soporte vertical con soporte de rodamiento. ........... 35
Ilustración 8. Vista 3D Yunque izquierdo. ........................................................................................ 36
Ilustración 9. Vista 3D Soporte de muestra. ...................................................................................... 37
Ilustración 10. Vista 3D del Eje de rotación. ................................................................................ 38
Ilustración 11. Vista acercada 3D del Eje de rotación. ..................................................................... 39
Ilustración 12. Vista 3D del Brazo. ................................................................................................... 40
Ilustración 13. Vista 3D del Martillo ................................................................................................ 41
Ilustración 14. Vista 3D del Impacatador o Striking tup ................................................................... 42
Ilustración 15. Impactador o Striking Tup tipo Charpy .................................................................... 43
Ilustración 16. Rodamiento Sealmaster SF-32 .................................................................................. 44
Ilustración 17. Rodamiento Sealmaster SP-24 .................................................................................. 45
Ilustración 18. Vista 3D del Sistema de freno ................................................................................... 46
Ilustración 19. Vista 3D del Sistema seguridad de freno .................................................................. 47
Ilustración 20. Vista 3D del Sistema de freno ensamblado. .............................................................. 47
Ilustración 21. Vista explotada 3D de la Aguja de arrastre, cilindro de sujeción y aguja de indicación .......................................................................................................................................... 49
Ilustración 22. Vista 3D del tablero dial ........................................................................................... 50
Ilustración 23. Especímenes para Ensayo de Impacto Charpy, Tipo A, B y C ................................. 51
1
RESUMEN
La Pontificia Universidad Javeriana Cali cuenta con el laboratorio de materiales, en
donde se realizan distintas pruebas y estudios sobre las diferentes propiedades que los
materiales poseen. El laboratorio actualmente no cuenta con un instrumento para realizar
ensayos de tenacidad, también conocido como ensayo de impacto tipo Charpy. Este ensayo
mide la cantidad de energía absorbida por un material al ser expuesto a un impacto y
posterior fractura. Esta prueba se encuentra estandarizada por la ASTM y con código E23-
15.
Para diseñar el prototipo se realizó una recopilación de información de materiales
metálicos utilizados en la región con el fin de definir la cantidad de energía que debe
ejercer el instrumento para lograr sus respectivas mediciones, cumpliendo con las
directrices estipuladas en la norma ASTM E23-15. El diseño de las piezas se realizó
teniendo en cuenta la función que cumplen y posteriormente se realizó la selección de los
materiales teniendo en cuenta las características de cada una de ellas. Teniendo como
objetivo reducir costos se buscaron materiales reutilizables de fácil adquisición para el
diseño de piezas estructurales; para las demás piezas que están sometidas a cargas
relativamente altas se seleccionaron materiales nuevos con características específicas a su
función.
Se comparó el costo de construcción del equipo con un equipo comercial de
características similares. Por último, se elaboró una guía de laboratorio para establecer las
normas de seguridad y las variables a medir durante la práctica del ensayo de impacto y su
posterior informe.
2
ABSTRACT
The Materials Laboratory of the Pontifical Xavierian University in Cali is a helpful
resource to test and study the different properties of materials. In this laboratory, several
material tests can be done, such as: Rockwell hardness, tensile strength, flexion strength,
compression strength and metallography. However, the laboratory does not have a device to
do the tenacity test, known as the “Charpy Impact Test” used to determine the amount of
energy absorbed by a material sample during fracture. This test is standardized by the
ASTM standard with code E23-15.
To design a prototype, a research about the common metallic materials found in
Cali was done in order to define the amount of energy that the instrument should exert,
according to the ASTM E23-15 guidelines. Then, the materials were selected depending on
the characteristics of each part in order to reduce costs reused and easy purchase materials
were chosen for the design of structural parts; for parts submitted to higher loads, new
materials were selected.
The manufacturing cost of the prototype was compared with a commercial
equipment of similar characteristics. Finally, a laboratory guide was developed to establish
the safety rules and the variables to measure during the impact practice.
3
INTRODUCCIÓN
Para evaluar las diferentes propiedades que los materiales poseen es necesario
realizar pruebas o ensayos diseñados específicamente para cada una de ellas. El laboratorio
de Materiales de la Pontificia Universidad Javeriana Cali cuenta actualmente con equipos
para medir propiedades como dureza, micro dureza, resistencia a la tracción, resistencia a la
compresión y resistencia a la flexión; y junto a éstas, dispositivos para preparar muestras,
almacenarlas y observarlas. Sin embargo, existen propiedades mecánicas que no pueden ser
medidas en el laboratorio porque no se cuenta con los equipos necesarios; una de estas
propiedades es la tenacidad o resistencia al impacto la cual puede ser medida mediante
diferentes ensayos estandarizados, por ejemplo, el ensayo Charpy descrito en la norma
ASTM E23. El objetivo de este trabajo es diseñar un prototipo de péndulo de impacto para
realizar el ensayo de tenacidad en materiales metálicos en el laboratorio de materiales de la
PUJ Cali, adicionalmente evaluar y comparar económicamente la viabilidad de su
construcción. Siendo esto posible se procederá a conseguir los materiales y talleres
especializados para su ensamble y puesta a prueba. Por último, se elaborará una guía de
ensayo de laboratorio que sea conforme a la norma para la prueba mencionada
anteriormente.
4
1. OBJETIVOS
1.1. Objetivo General
Diseñar un prototipo de péndulo de impacto para evaluar la tenacidad de materiales
metálicos en el laboratorio de materiales de la PUJ Cali.
1.2. Objetivos Específicos
1.2.1. Determinar el rango de energía necesario para evaluar los materiales metálicos que serán puestos a prueba en el laboratorio de materiales de la PUJ Cali.
1.2.2. Definir las características de diseño del péndulo de impacto con base en los parámetros establecidos en la norma ASTM E23.
1.2.3. Detallar el procedimiento para la realización de la práctica de laboratorio del ensayo de impacto en el laboratorio de materiales de la PUJ Cali mediante la elaboración de la guía de laboratorio.
1.2.4. Determinar la viabilidad de construcción del péndulo con relación a su adquisición de este en compañías autorizadas y construirlo si se demuestra que es viable económicamente.
5
2. MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes
El trabajo de grado está enfocado en el diseño de un péndulo de impacto para
realizar ensayos de impacto en muestras metálicas y polímeros dentro del laboratorio de
materiales de la Pontificia Universidad Javeriana de Cali, dispositivo con el que no cuenta
el laboratorio. Actualmente existen máquinas para realizar ensayos de dureza, micro
dureza, tracción, y junto a éstas, dispositivos para preparar muestras, almacenarlas y
observarlas, obteniendo resultados de los ensayos realizados. Por esta razón es necesario
implementar el diseño y la construcción del péndulo de impacto para profundizar más en
esta disciplina y brindarles a los estudiantes un mayor conocimiento acerca de las
propiedades de los materiales.
Detrás de todos los dispositivos y las máquinas que existen en los laboratorios,
centros de investigación y en las labores diarias, hay principios físicos que Norton (2005)
ha tratado de exponer en su libro “Diseño de Maquinaria” donde se estudian las leyes
naturales que influyen en el diseño y la fabricación de estas máquinas, como la cinemática,
la dinámica, la torsión, etc. Aparte de estos temas, también habla acerca de los métodos
para balancear las fuerzas y las masas de estas maquinarias para obtener unos prototipos
que se ajusten al modelo teórico, por motivos naturales y totalmente estocásticos. Es
realmente difícil lograr que el comportamiento siempre sea el mismo y el ideal, teniendo en
cuenta factores climáticos, del método de operación e incluso el desgaste y la lubricación
de las máquinas. De esta manera se puede observar un método ordenado y confiable para
lograr el diseño del péndulo de impacto y poder construirlo adecuadamente.
6
El diseño y la construcción de máquinas tienen un patrón o una metodología para
elaborarse, la cual debe ser ordenada y concreta para evitar que los estudios y resultados
parciales varíen en gran proporción. Alzate y Orejuela, 2002, lograron en su trabajo de
grado un estudio preliminar sobre máquinas dispensadoras, obteniendo pautas y referencias
de los problemas y objetivos de estudio; posteriormente, una investigación de mercado
pudo establecer parámetros y características que debe tener para construirla. Igualmente,
definieron la ventaja económica que este dispensador puede otorgar a sus compradores ya
que los existentes en el país son importados. Se utilizó el software SolidWorks para
presentar un diseño experimental confiable con base en las exigencias del mercado,
adicionando los conocimientos obtenidos a lo largo de la carrera, ingeniería industrial, para
lograr el prototipo adecuado. Además de las funciones que debe cumplir un accesorio o un
prototipo, también hay que definir el material del que debe estar compuesto, porque puede
estar sometido a fuerzas o condiciones que lo perjudiquen.
Perez y Ramirez, 2013, diseñaron y construyeron una máquina Jominy junto a su
guía de laboratorio, basándose en observaciones realizadas sobre esta misma máquina en
otras universidades de la región y adicionalmente investigaron en normas estandarizadas
que detallan las características de la máquina y del ensayo que se realiza mediante este
dispositivo. Las autoras establecieron las características que se deben tener en cuenta para
diseñar esta máquina y luego procedieron a su elaboración. En primer lugar, realizaron
prototipos para realizar correcciones del dispositivo hasta que lograra funcionar bajo los
parámetros establecidos por la norma; luego, se construyó el dispositivo con el material
adecuado bajo los estándares de la norma para garantizar resultados confiables. Por último,
se realizó una guía de laboratorio donde se menciona un resumen acerca del ensayo, el
procedimiento de elaboración del ensayo, con sus respectivos materiales y metodologías,
7
recomendaciones, datos que se deben tomar, y el contenido del informe a presentar acerca
del ensayo.
Es de gran importancia hacer una retroalimentación para conocer los errores y las
mejoras que se pueden implementar en el prototipo o en el dispositivo, ya sea por medio de
pruebas continuas u opiniones de los usuarios finales. Cubillos y Suarez, 2003, explican
que al crear una simulación de una operación industrial de reducción de tamaño de
partículas, obtenían opiniones por parte de terceros, especialistas en el tema que trabajan en
la industria especializada en este sector e incluso de los mismos usuarios, que en este caso
son los estudiantes, para poder realizar cambios y reducciones de errores o falencias
detectadas en su simulación final, logrando una constante mejora y reconstrucción de su
trabajo para brindar un uso más confiable a sus usuarios.
En la construcción de máquinas especializadas de laboratorios es de gran
importancia conocer con gran profundidad las cualidades que debe tener y los
requerimientos que debe cumplir. En principio, (Askeland, 2004), en su libro “Ciencia e
ingeniería de los materiales” habla acerca de la composición atómica de los materiales, sus
comportamientos y principalmente sus propiedades. Haciendo énfasis en las propiedades
sobre el ensayo de impacto y las conclusiones que se obtienen, demuestra la importancia de
los demás estudios que se realizan a los materiales en la industria y la vida cotidiana.
El ensayo de impacto se encuentra estandarizado por la norma ASTM E23, la cual
establece los pasos a tener en cuenta en la elaboración del ensayo de impacto, y las
características de la máquina utilizada en esta prueba, la cual es un péndulo que debe
acoplarse al método Charpy o Izod. También se hace referencia a los requerimientos del
ensayo y de las muestras (dimensiones, tipo de muesca, su orientación, el acabado,
temperatura), adicionalmente, la prueba debe realizarse bajo ciertas condiciones
8
establecidas, una de ellas es la temperatura, que al estar por debajo de la temperatura
ambiente se deben de realizar procedimientos adicionales. Del mismo modo se debe
realizar inspecciones en el martillo, en los yunques que sujetan la muestra y en las
muestras, de igual manera realizar pruebas al dispositivo para corroborar que no existan
pérdidas significativas de energía por fricción y aire, con el fin de obtener resultados
confiables para el estudio de la resistencia al impacto del material. El reporte de aceptación
comercial de los resultados que se obtienen al realizar este ensayo debe especificar el tipo
de muestra, la temperatura al momento del ensayo, energía absorbida y otros
requerimientos contractuales. Además, para otros reportes que requieran mayor
información deben especificar la expansión lateral de la sección fracturada de la muestra,
muestras no fracturadas, apariencia de fractura, orientación de la muestra y la locación de la
muestra.
Hfenbach, Marques, Langkamp, Bohm y Homig, 2008, hacen referencia a los
materiales compuestos que han tenido un gran auge en los últimos años debido a sus
excelentes propiedades mecánicas, permitiendo a los ingenieros diseñar estructuras rígidas
y delgadas sin perder su desempeño, materiales con los cuales es necesario diseñar las
piezas del péndulo que sufren mayor intercambio de energía.
Según Lee, Jang y Kwon, 2002, la mecánica de fracturas está interrelacionada con
el tamaño de la fractura, la carga o estrés y la resistencia a la fractura del material metálico.
Estos factores son de gran importancia para la evaluación de la integridad de una estructura
que se encuentra con presencia de fracturas. Mediante el método Charpy se pueden realizar
estos tipos de análisis reduciendo la cantidad de muestras, su tamaño de estas y la condición
(fisurada o no) en la que se encuentre.
9
2.2. Marco Teórico
2.2.1. Tenacidad
Los materiales utilizados en la industria pasan por una serie de pruebas y requisitos
para poder ser seleccionados y cumplir de manera óptima su función. Una de las
propiedades puestas a prueba en los materiales es la tenacidad o la resistencia a la fractura,
definida por (Mott, 2009) como la capacidad que tiene un material de absorber energía
durante la falla o ruptura. Cada material tiene una tenacidad diferente y varía dependiendo
de las imperfecciones que la muestra contenga. Esta capacidad de absorción de energía
varia depende principalmente de 6 factores (Askeland, 2004).
a) Tamaño de los defectos del material: A mayor tamaño de los defectos, menor
tenacidad tiene el material.
b) La capacidad de deformación del material: Al incrementar la resistencia del
material, por lo general se reduce la ductilidad obteniendo una menor tenacidad
a la fractura.
c) El grosor y la rigidez del material: A mayor grosor y más rigidez se obtiene una
menor tenacidad a la fractura.
d) La velocidad de aplicación de la carga: A mayor velocidad de impacto se reduce
el nivel de tenacidad del material.
e) La temperatura de ensayo: A mayor temperatura existe una mayor tenacidad del
material.
f) La microestructura del material: Una estructura de granos pequeños presenta
una mejora a la tenacidad a la fractura, en comparación de un material cuya
estructura tenga gran cantidad de defectos puntuales y dislocaciones.
10
2.2.2. Ensayo de Impacto
Existen múltiples métodos para evaluar la tenacidad de un material, de los cuales el
más conocido y utilizado es el péndulo de impacto. “Durante el ensayo de impacto, el
péndulo, inicia su movimiento desde una altura Ho, describe un arco y posteriormente
golpea y rompe la probeta; llega a una altura final Hf menor. Si se conocen las alturas
inicial y final del péndulo, se puede calcular la diferencia de energía potencial.” (Askeland,
2004), pág. 143-144. Este ensayo puede ser tipo Charpy o Izod, cuya diferencia es la
posición y el tamaño de las muestras al momento de ser ensayadas. Por lo general, la
muestra logra fracturarse y esa energía potencial se mide en Joules (Julios) cuando es un
ensayo tipo Charpy, o en Julios por metro (J/m) cuando es un ensayo tipo Izod. Callister,
2002, habla sobre los tipos de fractura que existen en los materiales al sufrir un impacto, las
cuales pueden ser de tipo dúctil o frágil dependiendo de la capacidad del material de sufrir
deformación plástica. Cuando el material exhibe deformación plástica substancial, con muy
alta absorción de energía, antes de la fractura se puede decir que sufre una fractura dúctil;
en cambio, cuando el material no sufre una deformación plástica y absorbe poca energía
previamente a la fractura, sufre una fractura frágil.
Debido a los factores mencionados anteriormente que afectan directamente la
tenacidad de los materiales, y teniendo en cuenta su naturaleza, (Mott, 2009) asegura que
no es posible utilizar los resultados de las pruebas de forma cuantitativa obtenidos en
distintos equipos, sino utilizando el mismo instrumento para comparar los niveles de
tenacidad de varios materiales candidatos y escoger el adecuado según los requerimientos
definidos.
11
2.2.3. Péndulo de Impacto
Conforme a la norma ASTM E23 el péndulo de impacto debe contener
características específicas que aseguren un desempeño correcto de la máquina para validar
en parte los ensayos a ser realizados. El montaje del péndulo debe realizarse sobre una
superficie de concreto de un espesor determinado o en una base que sea 40 veces la masa
del péndulo, teniendo en cuenta una nivelación dentro de 3:1000. El indicador o dial
numérico digital o análogo debe ser graduado en unidades de energía o grados con
incrementos no más de 0.25%. Los registros en el dial instalado pueden compensarse
teniendo en cuenta pérdidas por fricción del aire y del péndulo, no excediendo en 0.2% del
rango o 0.4% de la lectura. Las pérdidas totales de los factores anteriormente mencionados
no deben superar 0.75% la capacidad del rango de la escala, pérdidas por energía por
fricción no deben exceder el 0.25%. La velocidad tangencial de impacto que debe tener el
péndulo no debe ser menor a 3 m/s y no mayor a 6 m/s. Estas son algunas características
que hacen parte de la lista de requerimientos.
2.2.4. Tipos de Materiales
El proceso de selección de materiales es fundamental para el diseño de una
máquina, por tanto, es necesario mencionar algunas características de los materiales que se
tendrán en cuenta a la hora de escoger los materiales para el diseño del péndulo de impacto.
Como característica principal, el péndulo debe ser rígido, fuerte y resistente, adicionando la
estabilidad que se le otorga al proceso de su instalación. Para lograr el cumplimiento de
estos requisitos, en primer lugar, se encuentran los materiales metálicos, específicamente
12
los aceros a base de carbono, los cuales en su amplia gama pueden brindar estas
características para lograr un diseño correcto del péndulo.
2.2.5. Materiales Metálicos
A lo largo de la historia se han descubierto cientos de metales alrededor del mundo,
y junto a estos, miles de aleaciones que crean materiales diferentes cuyas propiedades
cambian. Por esta razón, los metales se han clasificado en ferrosos y no ferrosos, y
dependiendo del material particular de su composición, existen asociaciones industriales
para establecer estándares para su clasificación. Como es el caso de AA (The Aluminum
Association) que se especializa en nombrar los aluminios y sus aleaciones. La AISI
(American Iron and Steel Institute) que estandariza la clasificación de los aceros al carbón y
sus aleaciones. Y la CDA (Copper Development Association) que estandariza la
clasificación del cobre y sus aleaciones, etc. (Mott, 2009). Los materiales metálicos más
utilizados para el sector de construcción son las aleaciones ferrosas, las cuales tienen como
base el hierro y elementos para realizar aleaciones como el carbono, manganeso, silicio,
níquel, cromo, entre otros.
Los materiales metálicos tienen propiedades mecánicas que los diferencian unos de
otros, los cuales logran múltiples usos para distintas áreas y funciones. Una de estas es la
resistencia a la tensión, la cual es la resistencia de un material a una fuerza F estática o
aplicada lentamente, con el fin de estirar la probeta. Gracias a un extensómetro, se mide el
cambio de longitud de la probeta y de acuerdo con los resultados, se obtiene un gráfico de
esfuerzo-deformación que diferencia las regiones elástica y plástica de los materiales, e
información acerca de la resistencia, el módulo de Young y la ductilidad del material
evaluado (Askeland, 2004, págs. 240 - 241). La resistencia a la tensión de un material
13
depende de varios factores tales como: elementos de aleación, procesos térmicos o proceso
de manufactura aplicados. Solo para citar algún ejemplo, la resistencia a la tensión de los
aceros puede variar entre: 158 y 880 MPa.
La compresión es el ensayo contrario al de tensión, en este caso, la fuerza que se
aplica trata de comprimir la probeta; de igual manera, se encuentra una reducción en la
altura o la longitud de la probeta, y con este valor, se obtiene una gráfica de esfuerzo-
deformación, que marca la diferencia entre las regiones plástica y elástica de los materiales
probados (Groover, 2007).
También existe el ensayo de flexión, el cual consta de aplicar una fuerza F a lo largo
de una probeta de manera transversal. En la cara de contacto entre la probeta con la fuerza
F, se presenta un esfuerzo de compresión, y al otro costado de la probeta, se experimenta un
esfuerzo de tensión. Cuando se genera una ruptura del material, se debe a que se sobrepasa
la última resistencia a la tensión de la cara exterior de la probeta. Este ensayo tiene como
resultado la resistencia a la ruptura transversal, la cual depende de las dimensiones de la
probeta y de la fuerza necesaria para su fractura (Groover, 2007).
Un ensayo importante a tener en cuenta es el de dureza, el cual mide la resistencia
de un material a ser rayado o penetrado, lo que es bastante importante para muchas
aplicaciones de ingeniería. Existen varios tipos de ensayos de dureza, pero los más
conocidos y frecuentados son el ensayo Brinell, Vickers y el Rockwell.
En el ensayo de dureza Brinell, se usa una esfera de acero de 2.5 mm, 5 mm o 10
mm de diámetro contra la superficie del material a evaluar, luego se mide el diámetro de la
impresión y se calcula el número de dureza Brinell.
El ensayo de dureza Rockwell usa dos tipos de indentadores dependiendo del
material a evaluar. En primer lugar, se usa una bola de acero con diámetro pequeño para
14
evaluar materiales blandos, y, por último, un cono o indentador de diamante para materiales
más duros. (Askeland, 2004, págs. 257 -258)
2.2.6. Norma ASTM E23
La norma ASTM E23 es en esencia la directriz de las características, consideraciones
y recomendaciones que el péndulo, muestra y ensayo deben cumplir para que los resultados
obtenidos sean válidos. Para el caso de las características la norma es explícita en las formas,
tamaño y acabados de la muesca que debe tener la muestra; además, la temperatura a la cual se
encuentra la muestra durante el ensayo hace parte de variaciones en los resultados de la prueba.
En cuestión de consideraciones se deben tener en cuenta modificaciones en el diseño del
péndulo para que al momento de fracturar la muestra los fragmentos sigan una trayectoria libre
de obstáculos relacionados con partes del péndulo. Por último, las recomendaciones que dicta la
norma se refieren a la posibilidad de utilización de muestras pre fracturadas y la guía para la
certificación del dispositivo.
2.2.7. Metodología de Diseño
Una metodología es una estructura y un proceso de pensamiento efectivo, adaptado
dicho procedimiento a una disciplina o un propósito específico, como es el caso de diseñar
un producto. Pahl, Beitz, Feldhausen, & J & Grote, 2007, mencionan que la metodología
consta de una serie de pasos básicos, los cuales pueden derivarse en otros distintos
dependiendo del caso; en primer lugar, está la definición de los objetivos, tanto generales
como específicos junto con su importancia. Luego, identificar las condiciones actuales del
sistema o proceso, incluyendo las restricciones y fronteras. En tercer lugar, hay que disipar
15
los prejuicios para garantizar una búsqueda más amplia de soluciones u opciones. Más
adelante se evalúan estas opciones encontradas respecto a los objetivos y condiciones. Por
último, hay que tomar decisiones, seleccionar la opción adecuada y realizar un control de
los resultados.
Uno de los métodos utilizados para el diseño, evaluación y mejora continua de
procesos es la metodología PHVA (Planear, Hacer, Verificar y Actuar). Esta metodología
es representada por un ciclo llamado Rueda Deming, según (Suganthi & Samuel, 2004)
cada etapa tiene un propósito y unas pautas a seguir, comenzando con planear la cual está
encargada de identificar requerimientos, localización del problema, definición del
problema, proyección de resultados a esperar, identificación del mejor método a utilizar,
establecer metas para la solución del problema y preparación de los recursos. El siguiente
paso llamado Hacer es la ejecución de todo lo identificado y planeado en la etapa anterior.
La siguiente etapa llamada Verificar que se encarga de revisar y recopilar todos los datos
del proceso ejecutado y contrastarlos con los resultados esperados que fueron identificados
en la etapa de planeación. Por último, se tiene la etapa de Actuar que se encarga de realizar
las correcciones necesarias para que el proceso en estudio opere según lo planeado para que
los problemas identificados en la etapa inicial sean eliminados.
2.2.8. Guía de Laboratorio
Toda actividad realizada en un laboratorio debe seguir pautas específicas con un
orden lógico, para que proporcione una evaluación de riesgos y de desempeño correcto de
equipos a usar. Además, para seguir las pautas de ensayos en laboratorios debe existir una
guía que contenga toda la información necesaria para realizar la práctica y los datos a
recoger. En el ámbito de la ingeniería industrial las fichas técnicas y listas de chequeo
16
hacen parte de las acciones que el operario debe realizar antes de ejercer su actividad
programada para verificar el estado de sus implementos y dispositivos que utilizará (Juran
& Blanton, 1998); asimismo, como parte de la ejecución de la actividad, el operario debe
registrar los resultados obtenidos de la actividad, realizada para ser reportados y evaluados
por el personal competente.
2.2.9. Seguridad Industrial
La seguridad industrial hace parte de una normatividad global llamada salud
ocupacional la cual se encarga de marcar una serie de pautas y leyes que velan por la
prevención y corrección de peligros y riesgos existentes en toda labor. Estas normas son de
gran ayuda para la prevención de accidentes que pueden ocurrir dentro de un laboratorio, el
cual debe de contar con un manual que marque las pautas de comportamiento y guías de
operación de equipos y materiales utilizados para pruebas o experimentos. Para cada
práctica realizada en un laboratorio según (Quirós, 2007) se debe tener diferentes tipos de
precauciones en función de su actividad, considerando que cada actividad puede tener
diferentes incidentes. Para estas labores se debe contar con personal capacitado o entrenado
en la manipulación de los equipos o herramientas; adicionalmente, existen una normas
básicas para obtener una condición apropiada y segura en el lugar de trabajo.
Las principales normas asociadas a los riesgos mecánicos son:
- No operar las máquinas sin tener previa capacitación.
- Verificar el estado del equipo y de sus piezas antes de accionar.
- Mantener el área que rodea el equipo sin obstáculos o líquidos que puedan
atentar contra el desarrollo del procedimiento.
17
- Al finalizar el procedimiento, dejar el equipo apagado y las piezas en sus
respectivos lugares.
Existen sistemas de protección para prevenir cualquier tipo de riesgos, los cuales pueden
ser individuales si tienen como objetivo proteger al trabajador del riesgo directamente, o los
sistemas de protección colectivos que buscan proteger colectivamente a varios trabajadores
simultáneamente. (Clé, Diaz Olivares, & Medina Chamorro, 2009)
3. METODOLOGÍA Y DESARROLLO
3.1. Etapa de Planear
3.1.1. Identificación del problema
El laboratorio de materiales de la Pontificia Universidad Javeriana de Cali, no
cuenta con un método para realizar ensayos de impacto sobre materiales metálicos. Este
ensayo es importante porque aporta un gran conocimiento a los estudiantes de ingeniería,
puesto que mide la tenacidad o la resistencia a la fractura de materiales polímeros o metales
según el caso. El ensayo de impacto consta de un péndulo que inicia su movimiento desde
una altura específica, que posteriormente golpea una probeta con muesca tipo-v logrando su
fractura, registrando una altura final para calcular la diferencia de energía potencial, es
decir, la energía que el material absorbe para fracturarse.
Como solución al problema específico de este trabajo se debe diseñar un aparato
para realizar la prueba de impacto y una guía de laboratorio para la realización de la
práctica para la materia Materiales y Procesos. A continuación, se definen las partes que
18
debe tener un péndulo de impacto según su función y las secciones que debe tener una guía
de laboratorio según sus objetivos.
3.1.2. Descripción y funcionamiento de las partes de un péndulo de impacto Charpy
En la Ilustración 1 se presenta el funcionamiento teórico de un péndulo de impacto,
en el cual se identifican los momentos fundamentales del proceso, el inicial (altura inicial
h) y el final (altura final h´). Adicionalmente se menciona la conservación de la energía
como principio fundamental para la comprensión del funcionamiento del equipo y su
diseño.
Ilustración 1. Funcionamiento Teórico del Péndulo tipo Charpy
Fuente: Schwab, R. (01-26-2013). Charpy Impact Test. [Archivo de Video].
https://www.youtube.com/watch?v=tpGhqQvftAo
19
Un péndulo de impacto está conformado por piezas que tienen distintas funciones,
las cuales deben cumplir ciertos requisitos planteados en la norma ASTM E23-15 para
lograr un ensayo de impacto confiable. En la ilustración 2 se presenta una foto de un
péndulo comercial donde se observan las piezas a diseñar según la norma del péndulo de
impacto tipo Charpy.
Ilustración 2. Partes a diseñar del péndulo de impacto tipo Charpy.
Recopilado de Proeti S.A. Equipos de laboratorios para ensayos de materiales.
http://proetisa.com/proetisa-productos.php?ID=129
20
Pieza A: Es la cabeza del péndulo o martillo, y tiene como función ser la masa del
péndulo. Tiene gran importancia puesto que la masa es una variable crítica en la aplicación
de la energía requerida para el ensayo. Adicionalmente el martillo contiene al impactador o
striking tup, pieza B en la Figura 1. Según la norma ASTM E23-15 es la sección del
péndulo que impacta con las muestras como su nombre lo indica. Este impactador y el
martillo no son una sola pieza, debe ser removible del martillo para hacerle mantenimiento
o sustituirlo puesto que al realizar varias pruebas existe desgaste en las zonas de contacto, y
debido a que es costoso por su masa y los procesos de maquinado que requiere, no es
rentable para la Universidad y para otros usuarios cambiar todo el martillo cuando la
sección de contacto este desgastada.
Pieza C: Brazo. Es el encargado de darle el largo al martillo para ejercer un mayor
momento. Esta pieza también aporta a la masa del péndulo, estando directamente
relacionada con la energía que ejerce el péndulo. La pieza D en la Figura 1 es el freno, la
cual es una pieza fundamental para el desarrollo del ensayo puesto que es la encargada de
fijar el péndulo en su posición de arranque, es decir, la posición donde el ángulo de
inclinación es el indicado para obtener la energía deseada. Esta pieza es fija en el péndulo y
debe tener una firmeza considerable para soportar el peso del péndulo. El accionamiento de
esta pieza debe ser sencillo para que, en el momento de realizar el ensayo, no se vea
afectado el libre movimiento del martillo.
Pieza E: Dial: Este componente es de gran importancia para el ensayo puesto que
representa e indica numéricamente la cantidad de energía que se absorbe durante los
ensayos de impacto. Este dial está conectado directamente a la pieza F que es el eje de
rotación que a su vez sujeta la pieza C (brazo). Este eje se encuentra entre dos rodamientos
(G en la Figura 1), encargados de permitir la oscilación del péndulo con un nivel mínimo de
21
fricción. Los rodamientos están ubicados y ajustados por medio de tornillos encima de dos
vigas o columnas de soporte (piezas H en la Figura 1). Estas vigas cumplen con la función
de sujetar todo el peso del péndulo y ser totalmente estables y firmes, con el fin de evitar
vibraciones y algún tipo de movimiento que se pueda presentar durante el ensayo, según lo
indica la norma ASTM E23-15.
Las piezas I hacen referencia a los soportes de la muestra, los cuales son unas bases
donde las muestras metálicas son ubicadas para ser impactadas, previamente sujetas a los
anvils o yunques (Piezas J en la Figura 1). Los yunques son piezas fundamentales para el
ensayo y cuentan con medidas y parámetros requeridos por la norma ASTM E23-15 para
que las mediciones de la energía sean totalmente confiables. Estas piezas se encuentran
sujetas a los soportes verticales (H) por medio de tornillos. Estas piezas también deben ser
removibles, puesto que tienen contacto directo con la muestra al ser fracturada por el
péndulo y presentan un desgaste en sus zonas críticas, es decir, aquellas que deben tener
medidas y ángulos específicos según la norma.
3.1.3. Guía de Laboratorio
El objetivo de la guía de laboratorio es ofrecerle al estudiante la información
necesaria para poder realizar satisfactoriamente el ensayo de impacto tipo Charpy de forma
estandarizada. El estudiante estará en capacidad de consultar y estudiar la norma ASTM
E23-15, la cual detalla las variables físicas y tipos de muestras que interactúan de principio
a fin en el ensayo. Además, la guía de laboratorio ofrece un lineamento de precauciones y
equipos de seguridad que debe portar cada estudiante para así evitar accidentes durante el
ensayo.
22
3.2. Identificación de restricciones.
Para poder lograr el diseño correcto del dispositivo, se realizó un análisis de los
parámetros y variables físicas que hacen parte de la prueba, detallados en la norma ASTM
E23-15. Los parámetros y variables mencionados en la norma fueron utilizados como
restricciones o limitantes, las cuales definieron las dimensiones, materiales y componentes
hallados después de realizar los cálculos físicos necesarios.
3.2.1. Rango de energía
El diseño del péndulo es con fines académicos, por lo cual, para determinar el rango
de energía del prototipo se realizó una investigación de valores de tenacidad Charpy en
materiales metálicos de fácil adquisición en la región del Valle del Cauca. Se presentó una
cierta dificultad en encontrar el valor de la propiedad de tenacidad medida con la prueba
Charpy, por razones de ser esta una propiedad cualitativa y utilizada en selección de
materiales para proyectos que involucren metales sometidos a impactos. Los aceros de fácil
adquisición en la región y sus tenacidades Charpy son resumidos en la Tabla 1.
Tabla 1. Resumen de aceros en la región AISI/SAE Tenacidad Charpy (J) Tratamiento térmico
1020 123,3 Recocido 871 C 1035 27,1 - 33,9 - 1040 65 Normalizado 900 C 140 54,5 Recocido 816 C 4340 51,1 Recocido 810 C 8620 112,3 Recocido 871 C 316 105 Recocido 410 119 Revenido, Templado 650 C - 760 C
P20 30 - Fuente: Matweb (2015). Material Property Data. www.matweb.com.
Compañía General de Aceros (2015). http://www.cga.com.co/productos-y-servicios/productos
23
En la sección de anexos de la norma ASTM E23 (2015), donde se especifican los
requerimientos generales para máquinas de impacto, se expresa: “El límite superior del
rango de uso de la máquina es igual a 80 % de la capacidad de la máquina.” (p. 15). Debido
a este requerimiento y teniendo en cuenta los aceros de fácil acceso en la región resumidos
en la Tabla 1, se determinó que el prototipo debe poder aplicar una energía de 154 J para
poder realizar la prueba de impacto en los materiales seleccionados como referentes.
Teniendo en cuenta que las investigaciones científicas en el ámbito de los materiales
evolucionan diariamente, y que a mediano plazo nuevos materiales pueden incluirse en el
mercado regional, se decide ampliar el rango de energía que ejerce el péndulo a 250 J para
que el prototipo pueda tener un rango mayor de uso.
A continuación, se hace un análisis de las energías involucradas en el ensayo con el
fin de comprender mejor el funcionamiento del prototipo, y por lo tanto, las restricciones de
diseño. En la posición inicial de arranque el equipo cuenta con energía potencial. Al
momento de accionar el equipo, la energía potencial se convierte en energía cinética
mediante el movimiento pendular y se presentan dos tipos de pérdidas de energía, las cuales
son por fricción del mecanismo y por resistencia al viento. En el momento de impacto con
la muestra, esta absorbe una porción de energía cinética del sistema. La energía restante que
permanece en el sistema es la encargada de terminar el movimiento pendular y es señalada
en el tablero indicador.
Después de seleccionar la energía máxima necesaria para diseñar la máquina de
impacto tipo Charpy, se identificaron restricciones secundarias y las variables físicas que
hacen parte de la prueba. Para identificar las variables físicas que intervienen en el
funcionamiento del péndulo se utilizaron las ecuaciones presentadas en la norma ASTM
E23.
24
El largo del brazo del péndulo es una restricción en el diseño del equipo, puesto que
el espacio en el laboratorio es limitado, en este caso específico se debe tener en cuenta que
la altura del piso al techo es de 2.10 metros, se decide determinar el largo del brazo S = 0.6
metros.
ℎ = �(1 − ��)
Ecuación 1.
La Ecuación 1 es importante debido a que permite identificar la altura de caída
inicial h, es la posición de arranque a la cual el péndulo iniciará la oscilación. Esta altura
está dada por el movimiento pendular, que relaciona el ángulo (β) y la distancia del eje de
rotación al punto de impacto, llamado largo de brazo (S).
En el momento inicial de la oscilación pendular libre se tiene que la energía
potencial teórica en este instante es igual a la energía cinética teórica al momento del
impacto. Es válido aclarar que la energía potencial real es diferente a la energía cinética real
debido a dos tipos de pérdidas que existen en el movimiento pendular libre realizado:
pérdida por fricción del mecanismo y pérdida por la resistencia al viento (American
Society for Testing and Materials, 2015). La norma estipula que el equipo no debe tener
una pérdida por fricción del mecanismo mayor a 0.25% de la capacidad de energía del
péndulo y por resistencia al viento no mayor a 0.75% de la capacidad de energía del
péndulo en una oscilación, con el fin de obtener lecturas de datos válidos que pueden ser
tratados estadísticamente. En la Ecuación 2 se presenta la ley de la conservación de la
energía, la cual afirma que la cantidad de energía de un sistema aislado permanece
constante a lo largo del tiempo.
25
�� = ��
Luego, ��ℎ =���
�
Ecuación 2.
Donde,
��: es la energía potencial del sistema en el momento 1 (momento de partida del
péndulo).
��: es la energía cinética del sistema en el momento 2 (momento de impacto con la
muestra).
m es la masa del péndulo.
g es la gravedad.
h es altura inicial (momento 1)
v es la velocidad de impacto.
Despejando de la Ecuación 2, se puede hallar el valor de la velocidad de impacto tal
como se muestra en la Ecuación 3.
� = �2�ℎ
Ecuación 3.
Donde h es la altura encontrada con la Ecuación 1 y la gravedad como constante.
Según la norma ASTM E23-15 para asegurar la reproducibilidad y exactitud del ensayo de
impacto, la velocidad de impacto debe estar en un rango de 3 m/s y 6 m/s.
26
La masa pendular es aquella que proporciona la aceleración al péndulo para lograr
el impacto deseado. La masa debe ser exacta para alcanzar la energía de impacto deseada.
Para el cálculo de la masa del péndulo se utiliza la Ecuación 4.
� =2 ����
Ecuación 4.
Conociendo la energía necesaria para fracturar los materiales definidos
anteriormente y la velocidad de impacto hallada en la Ecuación 3, se puede encontrar la
masa que debe tener el brazo del péndulo.
Utilizando las ecuaciones 1, 3 y 4 se obtienen los resultados de altura inicial,
velocidad y masa. La Tabla 2 muestra las posibles configuraciones válidas dentro del
intervalo aceptable de velocidad de impacto mencionado anteriormente. Como variables
críticas de decisión se tienen el ángulo de caída (ß) y la masa (m), entre las caules existe
una relación inversamente proporcional. Teniendo una relación directamente proporcional
entre la altura y el ángulo de caída, se observa que la cantidad de masa necesaria disminuye
sustancialmente a medida que la altura aumenta. Utilizando el software Microsoft Excel se
realizaron los respectivos cálculos para hallar distintas configuraciones de la altura de
inicio, la velocidad de impacto, el ángulo de caída y masa que el péndulo puede tener para
el valor máximo de energía escogido, es decir, 250 J. Los resultados se obtuvieron de la
siguiente manera y se muestran en la Tabla 2.
27
Para las siguientes condiciones:
S = 0.6 m
β = 80º
ℎ = �(1 − cos �)
ℎ = 0.6(1 − cos 80º)
ℎ = 0.4958�
� = �2�ℎ
� = �2(9.8)(0.4958)
� = 3.1173�/
� =2 ����
� =2(250)5.12�
� = 51.36(�
28
Tabla 2. Configuraciones de parámetros para un péndulo de 250 J con un brazo S de 0.6 m
Ángulo de caída (ß) Altura h (m) Velocidad v (m/s) Masa m (Kg)
80 0.50 3.12 51.40 85 0.55 3.28 46.53 90 0.60 3.43 42.47 95 0.65 3.58 39.07 100 0.70 3.72 36.19 105 0.76 3.85 33.74 110 0.81 3.97 31.65 115 0.85 4.09 29.86 120 0.90 4.20 28.32 125 0.94 4.30 26.99 130 0.99 4.40 25.85 135 1.02 4.48 24.88 140 1.06 4.56 24.05 145 1.09 4.63 23.35 150 1.12 4.69 22.76 155 1.14 4.74 22.28 160 1.16 4.78 21.90 165 1.18 4.81 21.60 170 1.19 4.83 21.40 175 1.20 4.85 21.28 180 1.20 4.85 21.24
El criterio de selección se basó en la menor cantidad de masa posible y un ángulo de
caída limitado por el espacio disponible. Por lo anterior se escogió la siguiente
configuración:
Tabla 3. Configuración de parámetros para el péndulo de 250J seleccionada
Ángulo de caída (ß) Altura h (m) Velocidad v (m/s) Masa m (Kg)
145 1.09 4.63 23.35
Teniendo en cuenta que la masa del péndulo es de 23.35 Kg se procede a
seleccionar los materiales que serán utilizados para la construcción del prototipo.
29
3.2.2. Materiales a utilizar para la construcción del prototipo
La construcción del equipo debe realizarse con distintos materiales, debido a las
condiciones a las que se encuentra expuesta cada parte, por lo que, la selección de los
materiales se basó de acuerdo con las distintas funciones que ejercen las partes del péndulo.
En la Tabla 4 se identifican los posibles materiales a utilizar para el diseño de las piezas del
péndulo, teniendo en cuenta la función que desempeña cada una de ellas (lo que define las
características y/propiedades del material) y su fácil adquisición en la región.
Tabla 4. Resumen de propiedades mecánicas de materiales para la construcción del prototipo
Acero Resistencia a la tracción (MPa)
Limite elástico (MPa)
Módulo de elasticidad
(GPa)
Dureza Vickers
Tenacidad Charpy (J) Tratamiento térmico
SAE 1020 490-588 343 186 158 123.3 Recocido 871ºC
SAE 1045 655 413 206 200 30 Templado en aceite a 830ºC; templado a
540ºC
1-2190 SUPRA 1780 1460 200 517
AISI 420 2050 1610 200 600 50
AISI A2 1700 1350 190 520 6
AISI H13 2120 - 227 640 35.3 Enfriado al aire desde
1010ºC; temperatura de templado 260ºC
AISI D6 2200 - 194 660-740
AISI 0 1 - 2200 210 750
AISI P20 1730 - 205 530 30
SAE 4140 588-690 392 211 255 167.03 Templado en aceite a
540ºC.
SAE 4340 620-750 441 200 265 51.1 Recocido a 810ºC
SAE 8620 530 304 207 150 112.3 Recocido a 871ºC
ELDEMUR HA 690-890 640-830 118 245
ELDEMUR B2 1150-1350 1000-1250 135 410
ASTM M2
207 880 263.69 Templado en aceite a
1177ºC; temperatura de temple 566ºC
Fuente: Matweb (2015). Material Property Data. www.matweb.com.
Compañía General de Aceros (2015). http://www.cga.com.co/productos-y-servicios/productos
30
Las partes de contacto directo con la muestra, es decir el impactador o striking tup
según la norma, deben diseñarse con un material de mayor dureza y tenacidad que los
materiales a impactar.
El cuerpo del péndulo consta de un eje de rotación, un brazo y su respectivo
martillo, donde se concentra la masa neta del péndulo que ha sido determinada para lograr
las condiciones establecidas en la norma ASTM E23-15. Estos cuerpos se diseñan teniendo
en cuenta su material, puesto que dependiendo de esta selección varía el volumen del
cuerpo, por las diferencias de densidad de los materiales. Adicionalmente, debe ser posible
maquinar este material porque la cabeza del péndulo contiene una serie de medidas y
ángulos específicos para un correcto funcionamiento del dispositivo.
La base de montaje debe cumplir las especificaciones de la norma y puede ser de
dos maneras, una placa metálica que tenga una masa 40 veces mayor a la del equipo o una
base en concreto no menor que 150 mm de grueso. La máquina debe estar nivelada dentro
de una tolerancia 3:1000 para cumplir lo requerido por la norma.
31
3.3. Diseño del péndulo y elaboración de la guía de laboratorio.
3.3.1. Diseño del prototipo del péndulo de impacto tipo Charpy
El diseño del péndulo de impacto consta de múltiples piezas que tienen distintas
funciones y están conectadas o ensambladas entre sí. A continuación, en las ilustraciones 3
y 4 se muestran los modelos de montaje para mostrar su respectivo ensamble. En la Tabla 5
se presenta la lista de piezas numeradas en el montaje.
Ilustración 3. Plano de montaje 1.
32
Ilustración 4. Plano de montaje 2
Tabla 5. Lista de piezas del péndulo de impacto tipo Charpy.
Número de Pieza. Descripción 1 Martillo 2 Impactador 3 Brazo 4 Eje de Rotación 5 Rodamiento SEALMASTER SF-32. 6 Columnas de soporte vertical 7 Sistema de arrastre 8 Agujas indicadoras 9 Tablero del dial 10 Tapas de soporte de rodamientos 11 Rodamiento SEALMASTER SP-24 12 Eje del Freno 13 Ganchos de sujeción 14 Sistema de seguridad del freno 15 Palanca de accionamiento 16 Pin de seguridad en forma de bastón 17 Yunques 18 Soportes de la muestra
33
3.3.1.1. Base de montaje principal
Para lograr un montaje correcto del péndulo se diseñó una base de acero AISI/SAE
1020 de 1000 mm de largo, 400 mm de ancho y 12.7 mm de espesor, la cual servirá como
soporte de todo el sistema del péndulo. Como se puede observar en la Ilustración 5 las
columnas de soporte vertical estarán sujetas a la base. Debido a restricciones de nivelación
estipuladas en la norma ASTM E23-15 se realizaron 4 orificios en cada esquina de la base,
los cuales servirán para realizar correcciones de nivelación. El plano detallado, así como la
hoja de procesos se presenta en el ANEXO E.
Ilustración 5. Vista 3D Base de montaje principal.
3.3.1.2. Columnas de soporte vertical
Las columnas de soporte vertical se diseñaron en forma de U para obtener una
mayor estabilidad y disminuir la cantidad de acero a utilizar. El plano detallado así como la
34
hoja de procesos se presenta en el ANEXO F y G. Se seleccionó el acero AISI/SAE 1020
como el material de construcción de estas piezas, debido a su fácil acceso en la región, su
precio bajo en comparación con otros aceros, y principalmente porque cumple con los
requerimientos mecánicos del sistema. Cada columna tiene una base con 4 orificios soldada
en su sección inferior del mismo material seleccionado anteriormente, con el fin de servir
como sistema de sujeción con la base de montaje principal del péndulo. Su altura es de
91.27 cm definida por el largo del brazo y del radio del martillo, con el fin de que el
péndulo realice su movimiento libremente sin tener alguna obstrucción. También se tiene
en cuenta que esta altura no debe ser excesiva para tener una mayor seguridad cuando
ocurra la oscilación del péndulo dentro del laboratorio. Cada columna tiene una sección
soldada de apoyo horizontal, el cual deberá soportar y sujetar los yunques a una altura
específica desde la base o parte inferior, como se puede observar en la Ilustración 6.
Adicionalmente, en la parte superior de la columna se han realizado 4 orificios de
16,67 mm (21/32”) y un orificio de 50, 8mm (2”) para el montaje del rodamiento principal
del sistema, que se menciona a lo largo del documento.
Ilustración 6. Vista 3D Columna izquierda de soporte vertical
35
En la sección superior de las columnas, se ubicaron 2 placas rectangulares donde se
realizaron 2 orificios de 15,88 mm de diámetro con roscas ANSI M16 x 2 clase 6H, como
se observa en la Ilustración 7, los cuales servirán como sistema de sujeción para realizar el
montaje de los rodamientos que soportarán el eje de rotación del sistema de freno.
Ilustración 7. Vista 3D Columna izquierda del soporte vertical con soporte de rodamiento.
36
3.3.1.3. Yunques
El diseño de los yunques fue determinado con base en los parámetros y medidas
mencionadas en la norma ASTM E23-15, las cuales establecen un corte angular de 80 ± 2°
desde la cara frontal de contacto a la sección interior y curvaturas de 1 mm de radio en las
esquinas que se encontrarán en contacto con la muestra, permitiendo un flujo libre de
restricciones al momento de la fractura como se observa en la Ilustración 8 y 15. El
material seleccionado para la construcción de los yunques fue el ASTM M2 debido a su
alta resistencia al impacto, puesto que estas piezas están en contacto directo con la muestra
y absorben gran cantidad de energía. Como parte del diseño se requirió una perforación de
12,7 mm de diámetro y 50 mm de largo el cual servirá como guía para insertar un tornillo
tipo GB/T 5790-1986 M12x80 con tuerca métrica M12 x 1,75 para sostener los yunques en
la base de soporte interna de las columnas. Por último, el sistema requería roscas ANSI
M14x2 Clase 6H con profundidad 19,85 mm en las caras de contacto con la muestra para
ubicar y sostener los soportes de la muestra. Los detalles del diseño y la hoja de procesos de
maquinado se pueden apreciar en ANEXO H e I.
Ilustración 8. Vista 3D Yunque izquierdo.
37
3.3.1.4. Soportes de muestra
Para poder ubicar correctamente la muestra en el péndulo se diseñó un sistema de
soportes, Ilustración 9, los cuáles serán ubicados en la sección inferior de la cara de
contacto de cada yunque, sujetados con tornillos ISO 4762 M12 x 30. El material
seleccionado fue el AISI/SAE 1020, ya que es un acero barato y su única función es servir
como base para la muestra, además no estará sometido a impacto o fuerzas de tracción o
compresión no siendo necesario un acero con propiedades mecánicas superiores. Las
medidas se pueden observar con detalle en su plano respectivo, así como la hoja de
procesos de maquinado, ANEXO J y K.
Ilustración 9. Vista 3D Soporte de muestra.
38
3.3.1.5. Eje de rotación principal
El eje fue diseñado teniendo en cuenta la transmisión del movimiento al dial y
sustentación del brazo y martillo para lograr realizar la oscilación. Sus dimensiones son 364
mm de largo y 50 mm de diámetro, como se muestra en la Ilustración 10. Además tiene un
proceso de maquinado en sus extremos para insertar los rodamientos, taladrado en la
sección superior central de 30 mm de diámetro para introducir el brazo y posterior soldado.
Por último, se realiza cilindrado de desbaste en una de las caras para obtener el mecanismo
de transmisión del movimiento al dial, el cual crea un cilindro 14 mm de largo y 12,7 mm
de diámetro con rosca en su centro tipo ANSI perfil - M7X1 clase 6H, como se puede
apreciar en la ilustración 11 y en el ANEXO D se puede observar con detalle las medidas y
los procesos de maquinado necesarios para obtener esta pieza acorde con el diseño.
Ilustración 10. Vista 3D del Eje de rotación.
39
Ilustración 11. Vista acercada 3D del Eje de rotación.
3.3.1.6. Brazo
El brazo del péndulo es una vara cilíndrica maquinada de 550 mm de largo y 30 mm
de diámetro en acero AISI/SAE 1020 con un eje secundario incrustado de 25 mm de
diámetro y 80 mm de largo, ubicado a 139 mm de la parte superior al centro del eje, la cual
servirá como sistema de retención de freno. Con el fin de cumplir con las restricciones
identificadas anteriormente acerca del largo del péndulo y su masa, el eje incrustado en el
brazo aporta en masa para lograr ejercer 250 J. En la Ilustración 12 se puede observar el
brazo del péndulo, además el plano detallado y la hoja de procesos se presenta en el
ANEXO L.
40
Ilustración 12. Vista 3D del Brazo.
3.3.1.7. Martillo
Para lograr diseñar el martillo se tuvo como restricción una abertura de 40 mm por
donde debe pasar dicho martillo con el impactador, para lograr impactar en forma correcta
la muestra. Se puede observar en la Ilustración 14, tomada de la norma ASTM E23-15 la
posición de la muestra apoyada en los yunques y descansando en sus respectivos soportes.
Por las razones anteriores se realizaron una serie de modificaciones al martillo en
forma de cortes en ángulos como se puede ver en la Ilustración 13, esto con el fin de
prevenir cualquier tipo de obstrucción cuando ocurra la oscilación del péndulo. En la
sección posterior se realizaron 3 orificios lisos para servir como guía y 3 topes de ajuste
para sostener tornillos ISO 4762 tipo M12x110 al momento de instalar el impactador. Para
lograr reducir los costos de fabricación se decidió realizar un molde en arena para vaciar
fundición de acero SAE 1045, debido a que es un acero de bajo costo y que cumple con los
41
requerimientos mecánicos a los cuales está sometida esta pieza. Posteriormente se debe
maquinar la pieza a las especificaciones diseñadas. En el ANEXO M se puede observar con
detalle las medidas y los procesos de maquinados necesarios para obtener dicha pieza
conforme al diseño.
Ilustración 13. Vista 3D del Martillo
3.3.1.8. Impactador o Striking Tup
El impactador o striking tup fue diseñado de acuerdo con los parámetros estipulados
en la norma ASTM E23, la cual determina las medidas y ángulos necesarios para el proceso
de maquinado de la punta del impactador tal cual se muestra en la Ilustración 14. El
material seleccionado fue el acero al tungsteno ASTM M2. Los tres orificios ubicados en la
parte posterior del impactador son tres roscas tipo ANSI M12x1.75 Clase 6H para lograr
sujetar y ubicar correctamente en el martillo, como se puede observar en la Ilustración 14.
Debido al esfuerzo al cual el impactador será sometido, esta pieza debe ser diseñada con el
fin de ser reemplazada fácilmente. El espesor del impactador es de 22,75 mm, medida que
42
se obtiene después de tener en cuenta la abertura de 40 mm de un yunque a otro estipulada
en la norma, ver Ilustración 15. La punta del impactador según la norma debe de tener un
radio frontal de 8 mm y dos curvaturas laterales de radio 0.25 mm; en el ANEXO N se
puede observar con detalle las medidas y los procesos de maquinados necesarios para
obtener dicha pieza acorde con el diseño.
Ilustración 14. Vista 3D del Impacatador o Striking tup
43
Ilustración 15. Impactador o Striking Tup tipo Charpy
Fuente: ASTM international (2105). ASTM E23-15. Standard Test Methods for Notched
Bar Impact Testing of Metallic Materials. (p.11).
3.3.1.9. Rodamientos
Para el diseño del péndulo se seleccionaron los rodamientos de bolas
SEALMASTER SF-32 y SP-24 (Ilustraciones 16 y 17) con un diámetro interno de 50,8 mm
(2”) para el eje del brazo y un diámetro interno de 38.1 mm (1.5”) para eje del sistema de
freno, debido a su buen desempeño con cargas pesadas y a las velocidades radiales
requeridas. El rodamiento SF-32 es un rodamiento de brida utilizado en maquinaria que
requiere apoyo en superficies verticales. Para el eje del freno se seleccionó un rodamiento
44
de pedestal SP-24, el cual tiene apoyo en superficies horizontales. En las Tablas 6 y 7 se
mencionan las dimensiones de los rodamientos seleccionados.
Ilustración 16. Rodamiento Sealmaster SF-32
Fuente: SEALMASTER (2105). Mounted Ball Bearings Catalog. Series Standard Duty
Four-Bolt Flange Unit. (p.28).
Tabla 6. Medidas en pulgadas del rodamiento SEALMASTER SF-32.
Diámetro de Eje (in) A B C D E F G J K M
2 6 3/8 5 1/8 13/16 1 ¾ 2 5/16 21/32 9/16 5 1/4 7/8 1 5/16
45
Ilustración 17. Rodamiento Sealmaster SP-24
Fuente: SEALMASTER (2105). Mounted Ball Berarings Catalog. Series Standard Duty
Pillow Blocks. (p.24).
Tabla 7. Medidas en pulgadas del rodamiento SEALMASTER SP-24.
Diámetro de Eje (in) A B Cmin Cmax D E F G H J K
1 ½ 2 5/16 8 1/2 5 7/8 7 1/8 2 3/8 1 1/4 3/4 3/4 4 9/16 1 3/16 1 3/16
3.3.1.10. Sistema de freno
Para lograr que el péndulo ejerza la cantidad de energía deseada de 250 Jules se
requiere posicionar el péndulo en su posición de arranque, en este caso el brazo debe estar
en una posición segura de 145 grados. Esta posición es lograda mediante un sistema de
freno el cual asegure el péndulo y prevenga cualquier tipo de movimiento no deseado.
Como se puede observar en la Ilustración 18, el freno está compuesto por un eje horizontal
de 38.1 mm de diámetro, con una perforación de 25,4 mm de diámetro a 143 mm del
extremo izquierdo y otra perforación de 25,4 mm de diámetro a 22,5 mm del extremo
derecho. La perforación que se encuentra ubicada por el extremo derecho será utilizada
para ubicar una palanca de 250 mm de largo introducida en caliente, la cual tendrá función
de sistema actuador. En el orificio ubicado a 143 mm desde el extremo izquierdo será
46
utilizado para introducir en caliente un eje de 75 mm de largo con sección desbastada con
una perforación de 12,7 mm de diámetro, ubicando y sosteniendo con un tornillo ISO 4762
M12 x 45 con tuerca métrica M12 x 1,75 el gancho de retención, el cual sostendrá el eje
secundario del brazo del péndulo y asegurará dicha pieza en la posición correcta. Los
planos detallados, así como las hojas de los procesos de maquinado están en los ANEXOS
O, P, Q, R, S y T. El sistema de freno estará montado en 2 rodamientos SEALMASTER
SP-24. Por último, se diseñó un sistema de seguridad con un pin en forma de U (Ilustración
19), ubicado en la parte superior del pedestal del rodamiento derecho. Todo el sistema está
diseñado en material SAE 1045 debido a su bajo precio y sus propiedades mecánicas, las
cuales cumplen con los requerimientos del sistema.
Ilustración 18. Vista 3D del Sistema de freno
47
Ilustración 19. Vista 3D del Sistema seguridad de freno
En la Ilustración 20 se puede observar la ilustración del sistema de freno montado junto a los rodamientos que sostienen el eje del freno, el sistema de seguridad del freno y su sistema de accionamiento.
Ilustración 20. Vista 3D del Sistema de freno ensamblado.
48
3.3.1.11. Dial y sistema de arrastre
El diseño del dial fue basado en un sistema de arrastre, el cual consta de dos agujas,
como se observa en la vista explotada del sistema en la Ilustración 21. Para lograr la
posición correcta de las aguas se diseñó un cilindro con rosca tipo ANSI M7x1 no
completa, dejando 2 mm de distancia entre el eje transmisor de movimiento y el cilindro.
En este espacio se insertará una aguja de arrastre de material cobre ASTM C22000 con 95
mm de largo con base circular de 6,35 mm de diámetro interno y 12,7 mm de diámetro
externo. Además, el cilindro contiene un agujero en la sección cilíndrica el cual cuenta con
una rosca tipo ANSI M5 x 0.8 clase 6H, la cual sostendrá la aguja estática de 95 mm de
largo en aluminio 6061-T6 transmisora del movimiento del péndulo.
El tablero del dial está construido en material aluminio 6061-T6. Se decidió utilizar
este material por su fácil acceso en la región, sus propiedades mecánicas y su precio
módico. Como se observa en la Ilustración 22, el tablero del dial cuenta con 220 mm de
diámetro y un borde de 15 mm de alto, sujetado por 4 tornillos tipo DIN EN ISO 10642
M16 x 80, los cuales serán utilizados para la sujeción de uno de los rodamientos
SEALMASTER SF-32. El tablero contendrá una caratula la cual indicará los rangos de
energía ejercidos por el péndulo desde su posición de arranque hasta su posición final.
Estos rangos de energía son marcados concorde a la norma ASTM E23-15, la cual estipula
que se debe marcar los rangos de energía en incrementos de 0,25%. El plano detallado, así
como la hoja de procesos se presentan en el ANEXO U, V, W y X.
49
Ilustración 21. Vista explotada 3D de la Aguja de arrastre, cilindro de sujeción y aguja de indicación
50
Ilustración 22. Vista 3D del tablero dial
51
3.3.1.12. Tamaños y tipos de muestra.
Según la norma ASTM E23-15, las dimensiones de la muestra metálica y el tipo de
muesca que deben presentar para el ensayo son 3, clasificadas como Tipo A, Tipo B y Tipo
C. La diferencia entre estos tipos de muesca es su forma, tal como se pueden apreciar en la
Ilustración 23.
Ilustración 23. Especímenes para Ensayo de Impacto Charpy, Tipo A, B y C
Fuente: ASTM international (2105). ASTM E23-15. Standard Test Methods for Notched
Bar Impact Testing of Metallic Materials. (p.2).
52
3.3.2. Elaboración de la guía de laboratorio sobre el ensayo de tenacidad
La guía de laboratorio ha sido elaborada con el fin de poder realizar el ensayo de
impacto tipo Charpy en el laboratorio de materiales de la Pontificia Universidad Javeriana
Cali. Esta guía contiene: Introducción, marco teórico, objetivos, procedimientos,
recomendaciones, informe a entregar y bibliografía.
El ensayo Charpy esta estandarizado por la norma ASTM E23-15, la cual tiene
como lineamientos los requisitos para realizar la prueba, precauciones a tener en cuenta,
recomendaciones y datos a recopilar durante el ensayo. La guía de laboratorio se encuentra
en el ANEXO A del documento.
3.3.3. Determinación de las pérdidas de energía por fricción
Si las pérdidas de energía por fricción del mecanismo y por resistencia al viento no
son corregidas, las mediciones del ensayo serán erróneas. Para determinar cuanta energía
pierde el sistema por estas razones se debe realizar una oscilación libre sin muestra y
registrar el valor obtenido. Se debe elevar el péndulo lentamente hasta alcanzar el valor
conseguido anteriormente y asegurarlo en esta posición. Posteriormente se mide la altura
desde el centro de impacto al centro del espécimen. Conociendo esta altura se procede a
realizar el cálculo de energía potencial de la misma manera presentada anteriormente en el
capítulo 3.2.1. La diferencia entre este valor y la energía potencial en el momento inicial de
arranque es la pérdida total de energía en el péndulo por fricción, se debe tener en cuenta
esta corrección para el cálculo de la energía.
53
3.4. Verificación.
3.4.1. Determinar la viabilidad de construcción del péndulo con relación a su adquisición en compañías autorizadas
Para determinar la viabilidad de la construcción del péndulo, se realizó la cotización
a la empresa ADVANCE INSTRUMENTS LTDA., ubicada en Bogotá quien es la
encargada de comercializar este tipo de instrumentos especializados para laboratorios. La
cotización de acuerdo con el anexo B, indica que un péndulo de impacto tipo Charpy capaz
de ejercer 300J de energía y que tenga un sistema computarizado para indicar los resultados
del ensayo, cuesta $50.460.000. Este siendo un péndulo de gran capacidad de energía y un
sistema de automatización elevado por su sistema computarizado es de los péndulos más
costosos que se pueden encontrar en el mercado; sin embargo, en esta misma cotización un
péndulo de impacto tipo Charpy sin ningún nivel de automatización y sin estar
computarizado, el cual ejerce solo 50J de energía cuesta $17´980.000.
En el anexo C se encuentra la cotización realizada por AR INGENIERIA Y
MONTAJE, donde el ingeniero Álvaro Ruiz ha revisado los planos y diseños de las piezas,
y con la selección de los materiales ha realizado la cotización de la construcción y su
montaje con un precio de $5´000.000.
De acuerdo con las cotizaciones realizadas, se concluye que es aproximadamente 10
veces más económico construir el péndulo comparado con su adquisición, una diferencia de
$45.460.000 aproximadamente. Esta comparación se realiza frente al valor cotizado del
péndulo de 300J con un sistema computarizado, siendo el péndulo cuyas especificaciones
se aproximan más a las propuestas en el diseño.
La construcción del péndulo es viable puesto que existe una diferencia significativa
en los precios, lo cual representaría un ahorro considerable para la Universidad; sin
54
embargo, para el desarrollo de este proyecto de grado, su construcción no fue posible
puesto que la Facultad de Ingeniería de la Universidad Javeriana Cali, no cuenta con
recursos económicos asignados para este tipo de proyectos.
4. RESULTADOS OBTENIDOS
Tras el desarrollo realizado anteriormente se logró diseñar un péndulo de impacto
tipo Charpy que ejerce 250 J, el cual está en capacidad de medir la energía que absorben
muestras de materiales metálicos que son comerciales y de fácil acceso en la región del
Valle del Cauca.
Se logró el diseño de cada una de las piezas que conforman el péndulo, bajo las
condiciones establecidas en la norma ASTM E23-15; además, por medio de la asesoría del
taller AR INGENIERIA Y MONTAJE a cargo del ingeniero mecánico Álvaro Ruiz, se
diseñaron el dial y el freno; además, se hizo la selección de rodamientos.
Debido a que los beneficios de adquirir el dispositivo por medio de ADVANCED
INSTRUMENTS LTDA y construirlo en dicho taller son iguales para la Universidad, se
realizó una comparación de los costos, lo cual muestra que la construcción del dispositivo
es 10 veces más económico y favorable para la Universidad.
Tras una reunión con la directora del proyecto de grado, con el fin de gestionar
recursos económicos provenientes de la Facultad de Ingeniería para la construcción y
montaje del dispositivo, se obtuvo una respuesta no favorable, ya que no tiene un
presupuesto asignado para este tipo de proyectos. Además, por los tiempos asignados por la
Facultad para la finalización del proyecto de grado, no es factible la construcción del
péndulo.
55
5. CONCLUSIONES
A través del ciclo Deming o también conocido como metodología PHVA se logró
organizar el diseño del péndulo en etapas lógicas, las cuales son percibidas como un
proceso cíclico que se retroalimenta continuamente para darle solución a problemas
identificados y superar limitantes identificadas en el proceso.
Se estableció que, para el proceso de determinación del rango de energía, se tuvo
como primer enfoque la selección de los materiales metálicos más comunes en la región del
Valle del Cauca, adicionalmente teniendo en cuenta las restricciones de espacio y de
seguridad que se tienen en el laboratorio y el equipo cotizado a la compañía Advanced
Instruments, se decidió incrementar el rango de energía del equipo. Por esta razón se
diseñó el prototipo con una capacidad de energía de 250 Jules.
Se realizó el diseño de un prototipo de un péndulo de impacto que cumple con los
lineamientos de la norma ASTM E23-15 y las restricciones de espacio del laboratorio de
materiales de la Universidad. Se logró el diseño del péndulo con una longitud del brazo de
70 cm incluyendo el martillo, una masa de 23,35 Kg, la altura inicial del ensayo de 1,09 m
y partiendo con un ángulo de salida de 145º a una velocidad de 4,63 m/s.
Se desarrolló una guía de laboratorio en la cual se explican los principios mecánicos
y físicos acerca del ensayo, los cuales el estudiante debe conocer previamente para tener
una comprensión más clara y lograr un desarrollo correcto de la prueba. Adicionalmente, la
guía permite al estudiante identificar la importancia que tienen estos tipos de ensayos, para
conocer y evidenciar las propiedades mecánicas de los múltiples materiales por usar en el
diseño. Dentro de su contenido, se menciona con claridad el paso a paso para realizar un
ensayo correctamente, también se encuentran las precauciones y medidas de seguridad que
se deben tener en cuenta para evitar cualquier tipo de accidente durante el ensayo.
56
Finalmente están los espacios para la recolección de datos por parte del estudiante al
momento de realizar el procedimiento, para su posterior análisis y elaboración del informe
final del ensayo de tenacidad.
Se verificó la viabilidad de utilizar aceros reutilizables para la fabricación del
prototipo, con el fin de reducir los costos de fabricación y justificar una diferencia
significativa versus los costos de su adquisición, cumpliendo con todos los requisitos y
parámetros exigidos por la norma ASTM E23-15. De acuerdo con el análisis de viabilidad,
se determinó que la construcción del péndulo es 10 veces aproximadamente más económica
respecto a su compra, y su construcción no fue posible debido a que la Facultad de
Ingeniería de la Universidad Pontificia Javeriana no cuenta con presupuesto para este tipo
de proyectos o trabajos de grado.
57
6. RECOMENDACIONES
La Universidad debe contemplar la posibilidad de destinar recursos para los trabajos
de grado de este tipo por la factibilidad económica y los beneficios académicos que podrían
brindar a las múltiples disciplinas de la institución.
En la eventualidad de obtener los recursos para construir el prototipo, se recomienda
iniciar el proceso de calibración y certificación del equipo. La norma ASTM E23-15
contiene lineamentos para calibrar el equipo, pero es necesario realizar las respectivas
pruebas para así obtener una cantidad confiable de datos estadísticos para su posterior
análisis de la estabilidad, linealidad, repetitividad y reproducibilidad de dicho equipo. Para
realizar la certificación del equipo la norma recomienda iniciar el proceso con el instituto
The National Institute of Standards and Technology (NIST), el cual cuenta con muestras
especialmente diseñadas, las cuales serán fracturadas por el equipo para posteriormente
enviarlas junto a un cuestionario para su evaluación.
58
7. BIBLIOGRAFÍA
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60
8. ANEXOS
ANEXO A. Guía de Laboratorio Ensayo Charpy
Ensayo Charpy
Introducción y Marco Teórico
Los materiales utilizados en la industria pasan una serie de pruebas y requisitos para
poder ser seleccionados y cumplir de manera óptima su función. Una de las propiedades
puestas a prueba en los materiales es la tenacidad o la resistencia a la fractura, según Mott
(2009) esta propiedad es la capacidad que tiene un material de absorber energía durante la
falla o ruptura. Cada material tiene una tenacidad diferente y varía dependiendo de las
imperfecciones que la muestra contenga. Esta capacidad de absorción de energía varía
dependiendo principalmente de 6 factores (Askeland, 2004);
1. El tamaño de los defectos del material.
2. La capacidad de deformación del material.
3. El grosor y la rigidez del material.
4. La velocidad de aplicación de la carga.
5. La temperatura de ensayo.
6. La microestructura del material.
Existen múltiples métodos para evaluar la tenacidad de un material, el más conocido
y utilizado es el péndulo de impacto. “Durante el ensayo de impacto, el péndulo, inicia su
movimiento desde una altura Ho, describe un arco y posteriormente golpea y rompe la
probeta; llega a una altura final Hf menor. Si se conocen las alturas inicial y final del
péndulo, se puede calcular la diferencia de energía potencial.” (Askeland, 2004, pág. 143-
61
144). Este ensayo puede ser tipo Charpy o Izod, cuya diferencia es la posición y el tamaño
de las muestras al momento de ser ensayadas. En la Figura 1 se presenta el funcionamiento
teórico de un péndulo de impacto, en el cual se identifican los momentos fundamentales del
proceso, el inicial (altura inicial h) y el final (altura final h´). Adicionalmente se menciona
la conservación de la energía como principio fundamental para la comprensión y
elaboración del laboratorio.
Figura 1. Funcionamiento Teórico del Péndulo tipo Charpy
Fuente: Schwab, R. (01-26-2013). Charpy Impact Test. [Archivo de Video].
https://www.youtube.com/watch?v=tpGhqQvftAo
Por lo general, la muestra logra fracturarse y esa energía potencial se mide en Joules
(Julios) cuando es un ensayo tipo Charpy, o en Julios por metro (J/m) cuando es un ensayo
tipo Izod. Callister (2002) habla sobre los tipos de fractura que existen en los materiales al
sufrir un impacto, los cuales pueden ser de tipo dúctil o frágil dependiendo de la capacidad
62
del material de sufrir deformación plástica. Cuando el material exhibe deformación plástica
substancial con muy alta absorción de energía antes de la fractura se puede decir que este
sufre una fractura dúctil; en cambio, cuando el material no sufre una deformación plástica y
no absorbe energía previamente a la fractura, sufre una fractura frágil.
Según la norma ASTM E23-15 las dimensiones de la muestra metálica para el
ensayo son especificadas en la Figura 2.
Figura 2. Especímenes para Ensayo de Impacto Charpy, Tipo A, B y C
Fuente: ASTM international (2105). ASTM E23-15. Standard Test Methods for Notched
Bar Impact Testing of Metallic Materials. (p.2).
Objetivos
• Conocer el equipo y el procedimiento del ensayo Charpy
63
• Determinar la cantidad de energía absorbida por los diferentes materiales
puestos a prueba
• Comprender el concepto de tenacidad aprendido en clase
Procedimiento del ensayo Charpy
Materiales y equipos
• Péndulo de Impacto Charpy
• Muestras metálicas
• Implementos de seguridad: guantes, bata de laboratorio, careta o gafas de
seguridad.
• Termómetro
Metodología
• El estudiante debe consultar la norma ASTM E23-15 y comprenderla en su
totalidad.
• Verificar visualmente que el impactador y los yunques no tengan daños y
desgastes obvios.
• Chequear la posición cero del péndulo mediante el siguiente procedimiento:
elevar el péndulo a la posición de inicio, mover la aguja del dial cerca a la
máxima capacidad utilizada, accionar el péndulo para realizar una oscilación
al vacío, leer la medición indicada. Esta debe de marcar cero para confirmar
que el equipo está a punto.
• Verificar y anotar la temperatura del laboratorio a la cual se realizará el
ensayo.
64
• Levantar el péndulo en su posición de arranque y ubicar la aguja del dial en
la máxima capacidad.
• Ubicar y centrar la muestra en los soportes contra los yunques.
• Accionar el péndulo para lograr el impacto y consecuente fractura de la
muestra.
• Leer y registrar los valores obtenidos en el dial.
Recomendaciones
Para evitar accidentes y daños en los equipos durante la práctica es necesario que
tengan presente lo siguiente:
• Seguir las instrucciones paso a paso para lograr realizar el ensayo
correctamente, consultando previamente dichas instrucciones.
• Los estudiantes siempre deben estar bajo la supervisión del laboratorista,
quien está capacitado para el manejo del equipo.
• Para ingresar al laboratorio los estudiantes deben llevar bata y zapatos
cerrados.
• Utilizar los elementos de protección personal asignados para esta práctica.
• Evitar el uso de manillas o cualquier elemento que implique riesgo durante
la realización de la práctica. En el caso de cabello largo, mantenerlo
recogido.
• Solo una persona debe operar el equipo para prevenir accidentes.
• Al terminar el ensayo el equipo debe quedar asegurado bajo todas las
condiciones de seguridad establecidas.
• Las personas no deben ubicarse al frente o en la parte posterior del péndulo.
65
• Las muestras fracturadas deben clasificarse y ser almacenadas al vacío para
un posterior análisis.
Pre Informe
Se deben conformar grupos de cuatro (4) estudiantes.
Cada grupo debe entregar la solución del siguiente informe antes de ingresar al
laboratorio.
• Definir qué es tenacidad.
• En qué consiste el ensayo de impacto tipo Charpy y cuál es la norma que lo
rige.
• Qué tipos de fracturas pueden sufrir los materiales metálicos.
• Cuáles son las medidas y precauciones que se deben de tener en cuenta para
el ensayo.
• Qué variables afectan la tenacidad de los materiales metálicos y por qué.
• Investigar si existe diferencia en cuanto a la tenacidad entre los diferentes
tipos de estructuras moleculares.
66
Registro de resultado obtenido en el ensayo
Nombre de los integrantes:
Nombre y Apellido Código
Identificar las muestras, realizar el ensayo y registrar los resultados en la siguiente tabla:
Material Tipo de
muestra
Temperatura del
laboratorio (oC) Energía absorbida (J)
Muestra fracturada?
(SI o NO)
Informe y análisis de resultados
• Definir las razones de diferencias de energía absorbida de los materiales expuestos a
la prueba.
• Relacionar las diferentes variables y propiedades del material puesto a prueba con la
cantidad de energía absorbida.
67
Bibliografía
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Suganthi, L., & Samuel, A. (2004). Total Quality Management. Nueva Delhi: Prentice-Hall of India.
Youtube. (s.f.). Youtube. Recuperado el 16 de 10 de 2015, de https://www.youtube.com/watch?v=tpGhqQvftAo
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ANEXO B. COTIZACIÓN ADVANCED INSTRUMENTS LTDA.
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ANEXO C. COTIZACIÓN AR INGENIERÍA Y MONTAJE
Santiago de Cali Diciembre 01 de 2015
Señor DAVID ARIAS.
De acuerdo a su amable solicitud, le enviamos la cotización de la construcción mecanismo estructural, para realizar pruebas de esfuerzo en probetas de acero.
El mecanismo será para realizar la prueba tipo Charpy, y se construirá con viga estructural tipo U de 8”, base el lamina ASTM-A36 de 5/8” de espesor al igual que las cartelas de refuerzo o “pideamigos laterales”.
Cuenta con un elemento de impacto construido en acero al manganeso de acuerdo a las geometrías y dureza ya definidas por la norma; el brazo que se construirá en acero SAE 1045 de 2” de diámetro, y el martillo o masa donde se ubicara el elemento de impacto en acero SAE 1045 con dureza de suministro.
Los elementos para ubicar la probeta separador, yunque o soporte de la probeta en aceros con dureza de 54-52 HRC puede ser acero bonificado 8620 cementado para así tener buena dureza superficial pero gran tenacidad y así asimilar los impactos, aunque este elemento también se puede construir en acero SAE 1045 y templado.
Cuenta con los elementos de seguridad para evitar accionamiento imprevisto del brazo, cuenta con chumaceras de pedestal y brida respectivamente según su aplicación. Para eje de 2” y 1 ½ “ respectivamente.
En la parte frontal se ubicara la tabla para medir los ángulos al realizar las pruebas, con sus compas de arrastre y elementos de fijación.
Todos los elementos que requieran serán pintados electrostáticamente de acuerdo al color determinado por el cliente.
Los elementos se construyen de acuerdo a las normas ASTM E23 del año 2015.
El valor total de este elemento es de cinco millones de pesos m/cte. más el impuesto a las ventas IVA. Forma de pago 50% al inicio y el restante 50% a contra entrega, el tiempo de construcción es de 30 días. Valides de la oferta es de treinta días calendario.
Cordialmente,
ALVARO RUIZ ORTIZ
ING. MECANICO UAO.
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ANEXO D. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO EJE DEL BRAZ O
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ANEXO E. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO BASE MONTAJE
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ANEXO F. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO COLUMNA DE S OPORTE VERTICAL IZQUIERDA
74
ANEXO G. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO COLUMNA DE S OPORTE VERTICAL DERECHA
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ANEXO H. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO YUNQUE IZQUI ERDO
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ANEXO I. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO YUNQUE DEREC HO
77
ANEXO J. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO SOPORTE MUESTRA IZQUIERDO
78
ANEXO K. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO SOPORTE MUES TRA DERECHO
79
ANEXO L. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO BRAZO
80
ANEXO M. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO MARTILLO
81
ANEXO N. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO IMPACTADOR
82
ANEXO O. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO GANCHOS DE SUJECIÓN
83
ANEXO P. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO SISTEMA DE SEGURIDAD FRENO
84
ANEXO Q. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO BRAZO DEL FR ENO
85
ANEXO R. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO PIN DEL FREN O
86
ANEXO S. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO EJE DEL FREN O
87
ANEXO T. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO PALANCA DEL FRENO
88
ANEXO U. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO DIAL
89
ANEXO V. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO DIAL DE ARRA STRE
90
ANEXO W. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO TABLERO DEL DIAL
91
ANEXO X. HOJA DE PROCESO DE MECANIZADO TORNILLO DE ARRASTRE
