ENSAYOS DE IMPACTO

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA” FACULTADAD DE INGENIERIA CIVIL

Ensayo de impacto

OBJETIVOS» OBJETIVO GENERAL:

Conocer los principios teóricos del ensayo de impacto, que nos permita determinar el comportamiento de los materiales frente a este tipo de ensayo.

» OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Conocer las definiciones y métodos comúnmente utilizados y

aprobados por las normas ASTM, ISO, en el ensayo o prueba de impacto.

Diferenciar las características que presenta cada tipo de ensayo de impacto.

Establecer las limitaciones que presenta dicho ensayo ya que los datos son poco representativos de las condiciones de servicio reales.

MARCO TEÓRICO El primer método de impacto propuesto, fue el de Izod en

1903; y el segundo método fue el de Charpy creado por Agustín Georges Albert Charpy (1865-1945) en 1909.

» ANTECEDENTES: Una falla ocurrida relacionada con este ensayo es el

hundimiento del Titanic en el año 1912. El acero utilizado en su construcción era el mejor de su época, sin embargo hoy en día no pasaría las pruebas más elementales de calidad, producto del alto contenido de impurezas que contenía.

Un hecho más reciente ocurrido en el año 1986, fue la explosión del trasbordador Challenger.

BASES TEÓRICAS

» ENSAYO DE IMPACTO: Método para determinar el comportamiento del material

sometido a una carga de choque en flexión, tracción o torsión. La cantidad que suele medirse es la energía absorbida al romperse la probeta en un solo golpe, como en el ensayo de impacto Charpy, el ensayo de impacto Izod y el ensayo de tensión por impacto.

Los ensayos de impacto también se realizan sometiendo las probetas a varios golpes de intensidad creciente, como en el ensayo de impacto con caída de bola y el ensayo de impacto con golpe repetido. La resistencia al impacto y la dureza con rebote de proyectil se determinan en ensayos de impacto no destructivos.

METODO DE IMPACTO IZOD Y CHARPY,

» VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN

La velocidad de deformación es una magnitud que mide el cambio de deformación respecto al tiempo.

Las cargas descritas, de variación brusca, no podrán ser analizadas de la misma manera que en los ensayos estáticos, sino como ondas de tensión que, al propagarse en el volumen de la probeta, generan deformaciones por los mismos mecanismos que en solicitaciones estáticas, pero su propagación y acumulación serán en función de la velocidad de variación de la amplitud de tensión.

VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN

» Velocidad de Deformación En Metales: Sólo en ensayo de Metales. La velocidad de deformación es

una velocidad especificada de deformación de la sección paralela de la probeta. Se ejecuta en control de extensión. La velocidad de deformación especificada se convierte en una velocidad equivalente de la cruceta multiplicando la velocidad de deformación por la longitud (paralela) del indicador de probetas. Por ejemplo, una velocidad del 1% por minuto en una probeta que tenga una longitud paralela de 100 mm da como resultado una velocidad de la cruceta de 1 mm/min.

» ENERGÍA DE IMPACTO

Las pruebas de impacto se utilizan para conocer cuánta energía puede absorber un material al ser impactado.

Para poder seleccionar un material que resista un choque o golpe intenso y repentino, se debe realizar como bien sabemos una prueba de impacto: El ensayo Charpy y ISO.

En la prueba Charpy consiste en una muestra de acero 1020 que se va a ensayar, en forma de una barra cuadrada, la cual puede contener o no una muesca en forma de V, ya que éstas miden de mejor manera la resistencia del material a la propagación de la fractura.

» TENACIDAD La tenacidad es la medida de la cantidad de energía que un

material puede absorber ante una fractura.

» TEMPERATURA La temperatura también juega un papel muy importante en

cuanto a los ensayos de impacto, ya que: A mayor temperatura es mayor la energía para romper el material, y con poca temperatura, el material, se fractura con poca energía absorbida. A temperaturas elevadas el material se comporta de manera dúctil con gran deformación y estiramiento antes de romperse.

MÁQUINA DE ENSAYO

» La máquina consta de dos parales paralelos, totalmente perpendiculares a su base fijada en el suelo, estos parales soportan un eje, el cual sostiene al péndulo, que en su parte inferior tiene el martillo, el cual se puede cambiar según la prueba que se vaya a realizar (Charpy-Izod). El martillo tiene un determinado peso y dimensiones que cumplen con la norma ASTM E-23. En la base se encuentra una prensa o soporte de la probeta intercambiable para el ensayo que se vaya a realizar (Charpy-Izod), su fin es sujetar las probetas cuando el péndulo las golpea.

CARACTERÍSTICAS » Estructura La estructura o todo el soporte de la máquina consiste en dos canales

de acero que están paralelos entre sí, perpendiculares a la base. La máquina debe ser anclada al piso 15 cm. como especifica la norma.

» El Péndulo Ésta parte de la máquina es la más delicada, pesa aproximadamente 40

lb., y debe ser accionada solamente al liberar el sistema de freno, a través del mecanismo proporcionado para ello.

» Bloques de Soporte para las Probetas La máquina ha sido diseñada de manera tal que puedan ser realizados

dos tipos de ensayo. Para ello se han diseñado dos tipos de soportes, uno tipo Charpy que sostiene utilizando dos puntos de apoyo

» Soporte para probetas tipo Charpy

Para la prueba de impacto tipo Charpy, las mordazas deben sujetar la probeta por cada uno de sus extremos, dejando un canal para el paso del péndulo, que debe tener una distancia de 40 mm según la norma ASTM E- 23.

» Soporte para pruebas de impacto Izod

Para la prueba de impacto tipo Izod, las mordazas deben sujetar la probeta por uno de sus extremos, dejando espacio en voladizo, para que el golpe suceda a 22mm de la muesca según la norma ASTM E-23.

» Sistema de Freno

La máquina de impacto tiene un sistema de freno parecido al freno de disco de un vehículo, el cual permite en el momento de ser accionado, que el péndulo disminuya su velocidad poco a poco hasta detenerse definitivamente.

» Martillos de Golpeo

Así como cada una de las prueba tiene un sistema de soporte (mordazas), también está normalizada la forma y tamaño de los martillos de golpeo. Por ello, cada una de las pruebas a realizarse en esta máquina tiene su propio martillo de golpeo.

MÉTODOS DE ENSAYO DE IMPACTOMÉTODO IZOD» Este ensayo consiste en romper la probeta sostenida en

voladizo en posición horizontal, por medio de un golpe en su extremo libre. En su base, a ésta probeta también se le hace una muesca, sin embargo, esta es realizada a toda una sección transversal de la probeta. El goniómetro de máximos marca los ángulos de salida y llegada con los cuales se establece la energía absorbida por la probeta de determinado material.

» En este ensayo la probeta se sujeta de forma horizontal y es golpeada a una velocidad de 11.5 ft/s.

» PROBETAS

» La elección del tipo de probeta depende del material a ensayar, adoptándose para cada caso la que de resultados más satisfactorios, en general se emplean las de entalladuras más profundas y de menor ancho para los metales más dúctiles.

» Las probetas deben terminarse sin marcas de herramienta, sin llegar necesariamente a su pulido especificando claramente la forma de extracción con respecto a la dirección de laminado, por producirse modificaciones significativas en el comportamiento de los metales bajo efectos de impacto con la orientación relativa de la probeta con el laminado.

» El modelo estándar de la ASTM es de 64 x 12,7 x 3,2 mm (2 ½ x ½ x 1 / 8 de pulgada). El espesor de la muestra más común es de 3,2 mm (0,125 pulgadas), pero el grueso preferido es de 6,4 mm (0,25 pulgadas), ya que no es tan probable que se doble ni aplaste.

» La profundidad en la muesca de la muestra es de 10,2 mm (0,4 pulgadas).

» MÉTODO CHARPY

» Este ensayo consiste en romper una probeta simplemente apoyada en posición horizontal, por medio de un golpe en su punto medio, en donde previamente se le ha hecho una muesca. El martillo golpea en dirección opuesta a la muesca. El goniómetro de máximos permite conocer los ángulos de salida y llegada para establecer cuanta energía absorbe la probeta antes y durante la ruptura.

» En este ensayo la probeta se sujeta de forma horizontal y se golpea a una velocidad de 17.5 ft/s

» La temperatura también juega un papel muy importante en cuanto al ensayo Charpy, ya que: A mayor temperatura es mayor la energía para romper el material, y con poca temperatura, el material, se fractura con poca energía absorbida.

» A temperaturas elevadas el material se comporta de manara dúctil con gran deformación y estiramiento antes de romperse. A temperaturas reducidas el material es frágil y se observa poca deformación en el punto de fractura.

Posición de la probeta en el ensayo de impacto de Charpy

NORMAS TÉCNICAS DEL ENSAYO CHARPY» La probeta tipo según ISO y normativa europea es de sección cuadrada de

10 mm de lado y 55 mm de longitud colocándose con una distancia entre apoyos de 40 mm. La entalla es de los tipos bulbo y cilíndrica con una profundidad de 5 mm, ancho máximo de 2 mm y una superficie de rotura de 10×5 mm².

» En la norma ASTM E23 o Charpy -V la probeta es de iguales dimensiones y distancia entre apoyos que la anterior pero la entalla es triangular formando las caras un ángulo de 45º, con una profundidad de 2mm y redondeo en el fondo de la entalla de 0,25 mm de radio.

» La norma DIN 50115 emplea probetas similares a las ISO pero de menos profundidad (3 mm la DVM y 2 mm la DVMK).

» La entalla de las probetas Izod, equivalentes a la norma BS 131 (V) son triangulares con las dimensiones de la Charpy-V.

» PROBETAS Y ENTALLADURAS:» Las probetas de sección rectangular o circular se mecanizan a partir de

muestras representativas del material, variando su tamaño y dimensiones y los de la entalla en función de la máquina y norma utilizada en el ensayo.

» La probeta tipo según ISO y normativa europea es de sección cuadrada de 10 mm de lado y 55 mm de longitud colocándose con una distancia entre apoyos de 40 mm. La entalla es de los tipos ojo de cerradura y cilíndrica con una profundidad de 5 mm, ancho máximo de 2 mm y una superficie de rotura de 10×5 mm².

» En la norma ASTM E23 o Charpy-V la probeta es de iguales dimensiones y distancia entre apoyos que la anterior pero la entalla es triangular formando las caras un ángulo de 45º, con una profundidad de 2mm y redondeo en el fondo de la entalla de 0,25 mm de radio.

» PROCEDIMIENTO

El método consiste en romper el material que se ensaya, bajo un efecto dinámico que se produce por el impacto sobre el mismo de una masa de peso y velocidad conocida. En ambos casos la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, por lo que se los denomina flexión por choque. La diferencia entre la altura inicial del péndulo (h) y la final tras el impacto (h') permite medir la energía absorbida en el proceso de fracturar la probeta. En estricto rigor se mide la energía absorbida en el aérea debajo de la curva de carga, desplazamiento que se conoce como resiliencia. En ingeniería, resiliencia es una magnitud que cuantifica la cantidad de energía por unidad de volumen que almacena un material al deformarse elásticamente debido a una tensión aplicada.

Probeta CHARPY lista para ensayar

Ejecución del Ensayo

ENSAYO DE IMPACTO EN MADERA» Realizado según la norma AFNOR estas son normas francesas con

las cuales se trabaja con la maquina universal AMSLER de fabricación Suiza utilizada para el ensayo. Este ensayo es similar al ensayo de resistencia al impacto en acero, la diferencia es que en este ensayo la probeta no tenga entalladura y sus dimensiones varían. Los objetivos al realizar este ensayo son:

» Llevar a cabo las pruebas para determinar el comportamiento de la madera sometida a cargas de impacto.

» Determinar las propiedades mecánicas de la madera en cuanto se refiere a su resistencia para su uso conveniente.

» EQUIPO DE ENSAYO: Máquina de marca Amsler de fabricación Suiza denominada universal empleada para todos los ensayos en madera.

» PROCEDIMIENTO:» Se coloca la probeta en la

máquina universal y se aplica cargas hasta que la probeta falle.

» Se toma la lectura de cuál ha sido la carga máxima a la cual fallará la probeta.

VENTAJAS DEL ENSAYO DE IMPACTO

» El procedimiento Charpy tiene una amplia gama de aplicación y es el más adecuado para el ensayo de materiales que presentan rotura por cizallamiento interlaminar o efectos de superficie.

» Además, el método Charpy ofrece ventajas en los ensayos con temperaturas bajas, ya que los asientos de la probeta se encuentran más alejados de la entalladura, evitando así una rápida transmisión de calor a las partes críticas de la probeta.

» Al obtener unos porcentajes de error relativamente pequeños en la simulación de la prueba, vislumbra otra ventaja del método, y es el hecho de que en un momento dado se pueda remplazar la prueba real por la simulación, reduciendo costos en uso de equipos y materiales en el laboratorio.

» Algo importante de este ensayo es que se puede determinar la temperatura de transición frágil-dúctil (su principal ventaja sobre otros ensayos). Esto se consigue realizando el ensayo en iguales condiciones normalizadas, pero a distintas temperaturas. Lo que se hace es calentar o enfriar la probeta antes de realizar el ensayo (la distribución de temperaturas debe ser homogénea en toda la probeta).

VENTAJAS DEL ENSAYO DEL IMPACTO

DESVENTAJAS Y LIMITACIONES DEL ENSAYO DEIMPACTO

• El ensayo de impacto permite cuantificar la tenacidad de un material, pero no obtenemos resultados aplicables cuando lo que necesitamos es diseñar piezas estructurales.

• Como limitaciones tenemos que sólo obtendremos datos cuantitativos que únicamente serán útiles a efectos comparativos (no para el cálculo de piezas o estructuras); que están determinados en materiales sin defectos (ya que los materiales de prueba no presentan en general discontinuidades internas); que los datos son poco representativos de las condiciones de servicio reales, ya que: El tamaño de la probeta es independiente del espesor real del material.

• Los especímenes pequeños y gruesos usados no representan adecuadamente los componentes de ingeniería típicos.

• Siempre se emplea un carga de ensayo por impacto, con independencia de que la estructura en servicio esté sometida a cargas estáticas o dinámicas.

• La raíz de la entalla puede ser menos severa que una entalla real o defecto similar (poros, microgrietas, fisuras, etc.)

FACTORES QUE AFECTAN LA RESILENCIA» VELOCIDAD DE APLICACIÓN DE CARGAS:La resilencia es inversamente proporcional a la velocidad de aplicación de cargas.

RADIO DE ENTALLA: Las entallas ocasionan una concentración de esfuerzos, y es en estas concentraciones donde el material comienza a fracturarse. Por ello las entallas o grietas presentes en un material conllevan a un aumento en fragilidad. La intensidad del esfuerzo en el extremo de una grieta depende tanto de las tensiones aplicadas como de la geometría y dimensiones de dicha grieta.

Apreciamos que la distribución de esfuerzos en el entorno de una entalla aumenta a medida que nos acercamos al extremo de la misma, y por otra parte, la mayor concentración de esfuerzos está localizada en el extremo de las entallas que tienen menor radio.

El incremento de radio de entalla incrementa la resilencia.

TEMPERATURA:transición dúctil-frágil.A pesar de que todos los factores que condicionan el modo de fractura de los materiales tienen una gran importancia, el efecto de la temperatura es tal vez, entre todos ellos, el más conocido. Esto se debe a que algunas de las catástrofes estructurales más divulgadas, ocurridas en el siglo pasado, están relacionadas con la transición dúctil-frágil que experimentan algunos materiales al disminuir la temperatura.» Resultados de los ensayos Charpy a diferentes

temperaturas para el Nylon, PVC.(a y c baja temperatura, b y d temperatura ambiente)

La disminución de temperatura produce una reducción de la resilencia

GRACIAS