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UNIVERSIDAD
NACIONAL AUTÓNOMA
DE MÉXICO
FACULTAD DE QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA.
LABORATORIO DE COMPORTAMIENTO MECÁNICO
PRÁCTICA 4: ENSAYO CHARPY.
PROFESOR:
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Objetivos
Determinar la energia absorbida por un material, mediante la prueba de impacto
Analizar el comportamiento de los materiales metálicos al ser sometidos a un esfuerzo de
impacto.
Identificar los comportamientos frágil y dúctil en la fractura de los metales, mediante
observación visual.
Observar y reconocer las posibles diferencias que presentan los diversos materiales en cuanto a
ductilidad y fragilidad (en cuanto a su tolerancia a la deformación).
Hipótesis.
Con base en la información previa se espera que el aluminio absorba una mayor cantidad de energía sin
romperse, pues se sabe que es un material altamente dúctil y maleable. El acero, en contraposición a
lo anterior, es un material muy resistente, pero es menos dúctil que el aluminio.
Introducción.
Generalidades de la prueba de impacto
“Cuando un material es sujeto a un golpe repentino y violento, en el que la velocidad de deformación
es extremadamente rápida, se puede comportar en una forma mucho más frágil que la que se observa
en otro tipo de pruebas, por ejemplo en el ensayo de tensión. Esto, se puede observar en muchos
plásticos, ya que al estirarlo con mucha lentitud, las moléculas de polímero tienen tiempo de
desenredarse o las cadenas de deslizarse entre sí y permitir deformaciones plásticas grandes.
Sin embargo, si se aplica una carga de impacto, el tiempo es insuficiente para que esos mecanismos
jueguen un papel en el proceso de deformación, y los materiales se rompen en forma frágil, Con
frecuencia se usa un ensayo de impacto para evaluar la fragilidad de un material bajo estas
condiciones. En contraste con el ensayo de tensión, en el de impacto las tasas de deformación unitaria
son mucho mayores”.
El ensayo de impacto consiste en dejar caer un péndulo pesado, el cual a su paso golpea una probeta
que tiene forma de paralelepípedo, ubicada en unos soportes en la base de la máquina. Se debe dejar
caer el péndulo desde un ángulo α = +/- 90º, para que la velocidad del péndulo, en el momento del
golpe y en el punto de la nariz de golpeo sea de 4.11 m/s y de esta manera cumpla con los
requerimientos de la norma que especifica que la velocidad del péndulo en el momento del impacto
debe estar entre 3 m/s y 6 m/s.
La probeta posee una muesca (entalle) estándar para facilitar el inicio de la fisura. Luego de golpear la
probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando cierta altura que depende de la cantidad de energía
absorbida por la probeta durante el impacto. Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos
mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad (baja fragilidad) se doblan sin romperse. Este
comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química, lo cual obliga a
realizar el ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar y encontrar la “temperatura de
transición dúctil-frágil".
Temperatura de transición de dúctil a frágil.
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Es la temperatura debajo de la cual un material se comporta de forma frágil en un ensayo de impacto.
El cambio de dúctil a frágil también depende de la velocidad de deformación. Un material que se
somete a un golpe de impacto en servicio debe tener una temperatura de transición menor que la
temperatura del entorno. (Ver Figura No. 1)
Figura 1. Gráfico Resistencia al impacto Vs. Temperatura.
Esta temperatura sirve además como referencia en la selección de materiales, debido a que asegura
que la temperatura más baja a la que el material estará expuesto esté muy por encima de la
temperatura de transición de dúctil a frágil.
Relación con el diagrama esfuerzo deformación.
La energía necesaria para romper un material durante un ensayo de impacto, no siempre se relaciona
con la resistencia a la tensión. En general, los metales que tienen alta resistencia y a la vez gran
ductilidad, tienen buena tenacidad a la tensión. Sin embargo, este comportamiento cambia cuando las
velocidades de deformación son altas. Así, dicha velocidad puede desplazar la transición de dúctil a
frágil.
Material y equipo.
Probetas estandarizadas (6) de Acero 1045 y Aluminio
Maquina de ensayo de impacto
Mufla (Temp 60°C)
Cubeta con hilero (0°C)
Termopar (Tamb 20.5°C)
Procedimiento experimental
Colocar una probeta de aluminio y acero en cada uno de los diferentes medios: hielo, mufla y
temperatura ambiente.
Corroborar las temperaturas usando un termopar.
Colocar inicialmente una probeta de temperatura ambiente, en el la máquina de ensayo,
centrándola y colocando la carga.
Ajustar las agujas de medición en cero.
Realizar prueba, soltando la varga de la maquina
Corroborar datos obtenidos, y observar la fractura generada.
Resultados.
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Como primer aspecto, se presenta una imagen de las fracturas obtenidas para cada probeta al realizar
el ensayo de impacto.
Figura 1 .- Fracturas por impacto de probetas de Aluminio. De izquierda a derecha, ensayo
realizado a: 60⁰C, 25⁰C, 0⁰C
Figura 2 .- Fracturas por impacto de probetas de Acero. De izquierda a derecha, ensayo realizado
a: 60⁰C, 25⁰C, 0⁰C
Por otra parte, se muestran a continuación los datos obtenidos a partir del ensayo, así como la curva
correspondiente:
Tabla 1: Datos obtenidos del ensayo Charpy
Aluminio Acero
T (°C) Kpm Joules T (°C) Kpm Joules
0.2 5.2 50.99432 0.2 1.5 14.7099
20.4 4.8 47.07168 20.4 4.1 40.20706
55 3.8 37.26508 55 5.8 56.87828
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0102030405060
Temperatura (°C)
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Curva de ensayo de impacto
AluminioAcero
Análisis de Resultados.
De acuerdo al gráfico obtenido, El aluminio es más tenaz que el acero a “bajas” temperaturas de
impacto. Por otra parte, la tenacidad del acero presenta una mayor sensibilidad a los cambios de
temperatura en comparación con el aluminio, puesto que la energía absorbida por este material para
fracturarse aumenta de forma considerable por unidad de temperatura, mientras que la energía
absorbida por el aluminio permanece casi constante variando por 0.4 kpm entre los dos primeros
valores. Este fenómeno puede estar asociado a la estructura cristalina de ambos materiales.
Sin embargo, tenemos una tendencia de disminución de la tenacidad del aluminio con el
aumento de la temperatura, lo que podría estar asociado a un error experimental o al posible mal
maquinado de las probetas.
En cuanto las fotografías mostradas, podemos observar que la fractura de aluminio conserva su
morfología para cada caso, lo cual indica que la fractura dúctil es constante. En contraste, las probetas
de acero presentan fracturas de morfologías cuadradas al disminuir la temperatura (0 ⁰C), y fracturas
en forma trapezoidal al aumentar la temperatura (60 ⁰C).
Lo anterior respalda la idea de que se ha tenido una medición equivocada sobre la energía
absorbida por parte del aluminio, ya que en las fotografías no parece haber un incremento de fractura
frágil a lo largo de la superficie de ruptura. Además, la estructura cristalina característica del aluminio
(FCC) suele asociarse a una mayor ductilidad debido a sus planos de deslizamiento, en contraposición a
la estructura de los aceros ferríticos (BCC).
Además, el incremento en la temperatura en los metales provoca que haya una menor tensión
entre los átomos que conforman la red cristalina, por lo que si la estructura cristalina del Al permitía
un deslizamiento menos obstaculizado a temperatura ambiente, considerar que conforme se
incremente la temperatura disminuya la ductilidad del aluminio frente a la del acero implica tener que
considerar que se encuentra algún otro factor alterando los resultados.
Conclusiones.
La tenacidad del acero está estrechamente relacionada con la temperatura: al disminuir la
temperatura, disminuye la energía absorbida.
La tenacidad del aluminio se mantiene prácticamente invariante, al aumentar la temperatura.
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La morfología de fractura del aluminio no está en función de la temperatura.
El acero presenta fracturas frágiles a menor temperatura (cuadradas) y dúctiles a una
temperatura mayor.
Fuentes y Bibliografía.
ASKELAND, Donald R., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, Thomson Editores. México,
1998.
GROOVER, Mikell P., “Fundamentos de Manufactura Moderna” Prentice Hall. México 1997.
Capítulo 3 “Propiedades Mecánicas de los materiales”
Fernández, Tomás, et. Al. http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=181518028008 .
Consultado el 4 de noviembre a las 1:04 hrs.