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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticomán Ingeniería en Aeronáutica Laboratorio de Ensaye de Materiales Ingeniería de Materiales Práctica No. 2 “Ensayo de Resistencia al Impacto. Tipo Charpy” Profesor: David Anaya Gallegos Profesor de Teoría: Victor Manuel Sauce Rangel Grupo: 3AM1 Integrantes del Equipo: ● Flores Caballero Ricardo Emanuel ● López Gutiérrez Juan Carlos ● Miranda Roque Axel Enrique ● Nicolás Espinosa Miguel Ángel Fecha de Elaboración de la Práctica: Jueves 9 de noviembre Fecha de Entrega: Jueves 16 de noviembre Calificación:

Objetivo Determinar la energía que almacena un cuerpo antes de romperse mediante un ensayo de resistencia al impacto tipo “Charpy” y analizar de qué manera influye la temperatura sobre el comportamiento de los materiales ante el impacto. Tabla 1 Condiciones ambientales en el laboratorio. Iniciales

Finales

Probetas 1-5.

Temperatura de 19.1°C y 40% de humedad relativa.

Temperatura de 19.2°C y 40% de humedad relativa.

Probetas 6-7.

Temperatura de 23.2°C y 31% de humedad relativa.

Temperatura de 23.2°C y 31% de humedad relativa.

Material ● ● ● ●

Siete bolsas herméticas Ziploc. Un marcador. Un kilogramo de hielo seco. Alcohol etílico al 99%.

Figura 1. Material usado. De izquierda a derecha; hielo seco, alcohol etílico al 99%, bolsas Ziploc y probetas.

● Siete probetas de acero bajo carbono, que deben cumplir con las siguientes especificaciones:

a)

b) Figura 2. Medidas de las probetas requeridas, acotadas en milímetros. a) de la pieza completa, b) Muestra para prueba de impacto tipo muesca. (ASTM Designation E2356T).

Herramientas ● Termocople ○ Marca: Fluke ○ Modelo: 51-II. ● Tenazas. ● Guantes de protección ignífugos.

Figura 3. Herramientas usadas. De Izquierda a derecha: Guantes, tenazas y termocople.

Equipo utilizado ● Máquina para ensayos de impacto ○ Marca: Otto Wolpert Werke ○ Modelo: PW30K

Figura 4. Máquina para ensayo de impacto utilizada

●

Horno ○ Marca: Carbolite Furnaces ○ Modelo: CSF 1200

Figura 5. Horno utilizado.

Introducción Dentro de la industria existen elementos que se encuentran sometidos a circunstancias como la variación de temperaturas y cargas o bien esfuerzos instantáneos en los cuales se puede producir una falla debido a su fragilidad o poca deformación plástica, incluso cuando el material que los constituye es considerado como dúctil en condiciones de laboratorio. Es por éste motivo que la prueba de impacto cobra importancia, pues un ensayo de tracción estático expresa la ductilidad pero no es preciso para entender la tenacidad de un material bajo condiciones variables de operación. Los ensayos de impacto resultan la mejor opción para determinar la capacidad de un material de absorber energía en cargas instantáneas, por medio del trabajo que se requiere para llevar a cabo una fractura con respecto a su área transversal para obtener una propiedad denominada resiliencia. La resiliencia entonces expresa una magnitud que sirve para comparar qué materiales y bajo qué condiciones son más susceptibles a tener un mecanismo de fractura frágil. Estos ensayos se llevan a cabo a través de péndulos de impacto y se subdividen en dos tipos: tipo Charpy, utilizado en materiales metálicos y tipo Izod, que se utiliza en materiales no metálicos. En ésta práctica se realizó una prueba tipo Charpy con el fin de comparar la resiliencia de cada una de las probetas a diferentes temperaturas.

Consideraciones Teóricas La tenacidad ( propiedad inversa a la fragilidad) se define como la capacidad que tiene un material para almacenar energía, por lo general, de deformación plástica antes de romperse. Un material muy tenaz se deformará en gran medida antes de producirse una rotura; en cambio, un material frágil, o poco tenaz, apenas experimentará deformación alguna. Pruebas de Impacto La tenacidad de un material puede obtenerse calculando el área bajo el diagrama esfuerzo-deformación, la prueba de impacto indica la tenacidad relativa. Para las pruebas de impacto se utilizan muestras con un cierto tipo de muesca. Podemos encontrar dos tipos de muesca que se utilizan en pruebas de flexión por impacto: La muesca ojo de cerradura y la muesca en V. En esta práctica se utiliza el segundo tipo de muesca. Sujeción de las probetas para las pruebas de impacto La muestra Charpy se coloca en un tornillo de banco de manera semejante a una viga sencilla soportada en ambos extremos, en tanto que la muestra Izod se coloca en el tornillo de banco de modo que un extremo quede libre y sea, por tanto, una viga volada.

Figura 6. Sujeción de la probeta.

Máquina de impacto La máquina de impacto ordinaria tiene un péndulo oscilante de peso fijo, que es elevado a una altura estándar, dependiendo del tipo de muestra que se pretende probar. A esa altura, con referencia al tornillo de banco, el péndulo tiene una cantidad de energía potencial. Cuando el péndulo se libera, esta energía se convierte en energía cinética hasta que golpea a la muestra. La muestra Charpy se golpeará atrás de la muesca en V En cualquier caso, una parte de la energía del péndulo, se utiliza para romper la muestra, provocando que el péndulo se eleve en el lado opuesto de la máquina a una altura menor que aquella con que inició su movimiento desde ese mismo lado de la máquina. El peso del péndulo multiplicado

por la diferencia de alturas indicará la energía absorbida por la muestra, o sea la resistencia al impacto de la muestra con muesca.

Figura 7. Máquina para ensayos de impacto ordinaria

Porcentaje de fractura El porcentaje de fractura por corte en las superficies de fractura de los especímenes de impacto se puede determinar utilizando una variedad de métodos. En las probetas de impacto debemos de distinguir entre regiones formadas por mecanismos de crecimiento de grietas estables dúctiles, y regiones formadas por la propagación de grietas rápidas frágiles. Las zonas típicas de apariencia de fractura se muestran en la Fig. 9, donde la región de "fractura plana" es la región en la que se produce un crecimiento inestable de grietas en un microsegundo escala de tiempo.

El área de corte porcentual en la superficie de fractura de un Charpy la muestra de impacto generalmente se calcula como la diferencia entre el área total fracturada y el área de fractura plana.

a) b) Figura 8. Fractura de la Probeta a) Determinación del porcentaje de fractura por corte. b) Apariencia de fractura.

Determinación de la proporción de superficie de fractura Se debe comparar la apariencia de la fractura de la muestra con una tabla de apariencia de fractura como la que se muestra en la siguiente figura. Estos métodos de apariencia de fractura se basan en concepto de que la fractura por cizallamiento (dúctil) al 100% ocurre por encima del rango de temperatura de transición y fractura por fragmentación (frágil) ocurre por debajo del rango. Este concepto parece ser apropiado, al menos para aleaciones basadas en hierro cúbicas centradas en el cuerpo que se someten una transición distinta de dúctil a frágil. Tabla 2. Cizallamiento porcentual para mediciones hechas en milímetros

Obtenida de la norma ASTM Designation E23-56T.

Desarrollo de la Práctica La práctica consistió en someter siete probetas, cada una por separado a una prueba de resistencia al impacto tipo Charpy, utilizando un impactador en forma de “V”.

Figura 9. Probetas a ensayar.

Se colocó hielo seco sumergido en alcohol etílico en 3 diferentes recipientes con el fin de que el hielo seco no se sublimara. Posteriormente sumergimos las probetas correspondientes y esperamos a que alcanzara la temperatura requerida.

Figura 10. Recipientes con hielo seco y alcohol.

Giramos la manivela de elevación para colocar el péndulo en el ángulo de elevación que indica la norma (161°) y lo liberamos para así registrar el ángulo de postimpacto sin haber colocado ninguna probeta. De ésta forma se pudo determinar que debido a la fricción del aire se pierde 1 grado, ya que se obtuvo un ángulo de postimpacto de 160°.

Figura 11. Calibración de la Máquina.

A continuación retiramos una probeta del recipiente con hielo seco y alcohol utilizando las tenazas y medimos su temperatura con ayuda del termocople. Acto seguido se colocó la muestra en la máquina de impacto con la muesca orientada en la dirección opuesta al punto de impacto en la misma.

Figura 12. Medición de la temperatura con ayuda del termocople.

Colocamos la probeta en la platina porta probetas y procedimos a hacer girar la manivela de elevación hasta obtener un ángulo de elevación ɑ = 161°. Oprimimos la perilla de anclaje para que de esta manera la aguja arrojara una lectura de 30 Kgm.

Figura 13. Probeta sobre la platina porta probetas

Liberamos el péndulo retirando el seguro de perno, permitiendo que el péndulo impactara con la probeta y alcanzar un ángulo de postimpacto 𝜷. Una vez que el péndulo regrese a los 0° activamos rápidamente el freno para evitar que la manecilla continuará moviéndose.

Figura 14. Péndulo antes de impactar la probeta.

Finalmente tomamos la probeta y registramos los datos obtenidos en la Tabla X. (Ángulo de postimpacto 𝜷 y temperatura) El procedimiento fue exactamente el mismo para las probetas 2, 4 y 5 . En cuanto a las probetas 1 y 3 no fue necesario sumergirlas en el recipiente con hielo seco y alcohol ya que fueron ensayadas a temperatura ambiente. Por último las probetas 6 y 7 fueron previamente calentadas en el horno. La máxima temperatura que alcanzó el horno fue de 400° sin embargo la tasa de decaimiento de temperatura fue de 10°/seg por lo que las probetas fueron ensayadas a 90 y 100°C respectivamente. Al finalizar el ensayo para cada probeta los dos fragmentos resultantes se fotografiaron para realizar el análisis fractográfico y posteriormente se guardaron en bolsas herméticas.

Cálculos y Resultados Al principio se nos proporcionaron los siguientes datos establecidos por la máquina: Masa del péndulo 𝑚 = 19.308 𝑘𝑔 Ángulo de elevación, 𝛼 = 161° Energía potencial del sistema, 𝐸𝑝1 = 30 𝑘𝑔𝑚 Largo del brazo del péndulo, 𝑟 = 0.8 𝑚 Y los datos obtenidos por los ensayos se muestran en la siguiente tabla Tabla 3 Resultados de los ensayos de resistencia al impacto tipo “Charpy” No. de probeta

Ángulo de elevación 𝛽

Temperatura de la probeta (°C)

1

135°

19.2

2

153°

-8

3

132°

19.2

4

155°

-10

5

148°

5

6

132°

90

7

128°

100

Datos obtenidos de los ensayos Jueves 09NOV2017 - LEM-TM

realizados

por

el

grupo

3AM1

P

18-1

Como se explicó anteriormente, en la sección de desarrollo de la práctica, a los ángulos de elevación obtenidos se les sumará un grado debido a la necesidad de compensar la pérdida por la fricción con el aire para hacer los cálculos. Lo primero que hacemos es un pequeño esquema de la máquina para entender cuáles son las alturas que se calcularán y la obtención de sus respectivas fórmulas, lo cual se muestra en la Figura 15

Figura 15. Dimensiones para cálculos. Recuperados de ASTM E-23.

Al hacer un análisis con trigonometría básica, se pueden obtener las siguientes fórmulas para calcular ambas alturas; la de elevación “h1” y la de caída “h”. ℎ1 = 𝑟(1 − 𝑐𝑜𝑠(𝛼)) ℎ = 𝑟(1 − 𝑐𝑜𝑠(𝛽)) Donde r es el largo del brazo del péndulo, 𝛼 es el ángulo de elevación y 𝛽 es el ángulo de caída. La altura de elevación será la misma para todas las probetas, y con esta se puede calcular la velocidad de impacto con la fórmula 𝑣 = √2𝑔ℎ, despreciando la fricción. Sustituyendo valores sería: ℎ1 = (0.8 𝑚)(1 − 𝑐𝑜𝑠(161°)) = 1.556414 𝑚 𝑚 𝑚 𝑣 = √2(9.81 2 )(1.55641486 𝑚) = 5.526016 𝑠 𝑠 Con esto se comprueba que la velocidad de impacto no debe ser menor a 3, ni mayor a 6 metros por segundo, según lo estipula la norma ASTM E-23. Por tanto se pueden hacer los cálculos de otro dato de suma importancia, el cual es la energía absorbida por el material. Este se puede saber al hacer la diferencia entre la energía que se tiene al momento del impacto (EC1) y la que se obtiene después del impacto (EP2), es decir: 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 𝐸𝐶1 − 𝐸𝑃2 La energía inicial (EC1) nos la marca la máquina como energía potencial, al tener el péndulo en el punto más alto que se requiere, cuando se deja caer e impacta a la probeta, toda esta energía se transforma completamente en cinética, que calculandola sería

1

1

𝑚

1 𝑘𝑔𝑚

𝐸𝐶1 = 2 (𝑚)(𝑣)2 = 2 (19.308 𝑘𝑔)(5.526016 𝑠2 )2 = 294.807578 𝐽(9.80665 𝐽) = 30.06 𝑘𝑔𝑚, que son casi los 30 kgm que marca la máquina. Mientras que la energía después del impacto se puede calcular con la fórmula 𝐸𝑃2 = 𝑚𝑔ℎ, al considerarla potencial. La altura que se toma aquí es la de caída, la cual se escribió con anterioridad. Ahora se procede a sustituir valores para encontrar la energía absorbida de cada probeta

Probeta 1 Considerando gravedad ℎ = (0.8𝑚)(1 − 𝑐𝑜𝑠(135° + 1°)) = 1.375471 𝑚 𝑚 𝐸𝑃2 = (19.308 𝑘𝑔)(9.81 2 )(1.375471 𝑚) = 260.529997 𝐽 𝑠 𝑚 𝐸𝐶1 = (30𝑘𝑔𝑚)(9.81 2 ) = 294.3 𝐽 𝑠 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 294.3 𝐽 − 260.529997 𝐽 = 33.770003𝐽 Sin considerar gravedad 1𝑘𝑔𝑚 ) = 26.557593 𝑘𝑔𝑚 9.81𝐽 𝐸 = 30 𝑘𝑔𝑚 − 26.557593 𝑘𝑔𝑚 = 3.442406 𝑘𝑔𝑚

𝐸𝑃2 = (260.529997 𝐽)(

Probeta 2 Considerando gravedad ℎ = (0.8𝑚)(1 − 𝑐𝑜𝑠(153° + 1°)) = 1.519035 𝑚 𝑚 𝐸𝑃2 = (19.308 𝑘𝑔)(9.81 2 )(1.519035 𝑚) = 287.722667 𝐽 𝑠 𝑚 𝐸𝐶1 = (30𝑘𝑔𝑚)(9.81 2 ) = 294.3 𝐽 𝑠 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 294.3 𝐽 − 287.722667 𝐽 = 6.577333𝐽 Sin considerar gravedad 1𝑘𝑔𝑚 ) = 29.329527 𝑘𝑔𝑚 9.81𝐽 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 30 𝑘𝑔𝑚 − 29.329527 𝑘𝑔𝑚 = 0.670472 𝑘𝑔𝑚 𝐸𝑃2 = (287.722667 𝐽)(

Probeta 3 Considerando gravedad ℎ = (0.8𝑚)(1 − 𝑐𝑜𝑠(132° + 1°)) = 1.345598 𝑚

𝑚 )(1.345598 𝑚) = 254.871708 𝐽 𝑠2 𝑚 𝐸𝐶1 = (30𝑘𝑔𝑚)(9.81 2 ) = 294.3 𝐽 𝑠 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 294.3 𝐽 − 254.871708 𝐽 = 39.428291𝐽

𝐸𝑃2 = (19.308 𝑘𝑔)(9.81

Sin considerar gravedad 1𝑘𝑔𝑚 ) = 25.980806 𝑘𝑔𝑚 9.81𝐽 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 30 𝑘𝑔𝑚 − 25.980806 𝑘𝑔𝑚 = 4.019193 𝑘𝑔𝑚 𝐸𝑃2 = (254.871708 𝐽)(

Probeta 4 Considerando gravedad ℎ = (0.8𝑚)(1 − 𝑐𝑜𝑠(155° + 1°)) = 1.530836 𝑚 𝑚 𝐸𝑃2 = (19.308 𝑘𝑔)(9.81 2 )(1.530836 𝑚) = 289.957912 𝐽 𝑠 𝑚 𝐸𝐶1 = (30𝑘𝑔𝑚)(9.81 2 ) = 294.3 𝐽 𝑠 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 294.3 𝐽 − 289.957912 𝐽 = 4.342087 𝐽 Sin considerar gravedad 1𝑘𝑔𝑚 ) = 29.557381 𝑘𝑔𝑚 9.81𝐽 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 30 𝑘𝑔𝑚 − 29.557381 𝑘𝑔𝑚 = 0.442618 𝑘𝑔𝑚 𝐸𝑃2 = (289.957912 𝐽)(

Probeta 5 Considerando gravedad ℎ = (0.8𝑚)(1 − 𝑐𝑜𝑠(148° + 1°)) = 1.485733 𝑚 𝑚 𝐸𝑃2 = (19.308 𝑘𝑔)(9.81 2 )(1.485733 𝑚) = 281.414886 𝐽 𝑠 𝑚 𝐸𝐶1 = (30𝑘𝑔𝑚)(9.81 2 ) = 294.3 𝐽 𝑠 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 294.3 𝐽 − 281.414886 𝐽 = 12.885113 𝐽 Sin considerar gravedad 1𝑘𝑔𝑚 ) = 28.686532 𝑘𝑔𝑚 9.81𝐽 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 30 𝑘𝑔𝑚 − 28.686532 𝑘𝑔𝑚 = 1.313467 𝑘𝑔𝑚 𝐸𝑃2 = (281.414886 𝐽)(

Probeta 6 Considerando gravedad

ℎ = (0.8𝑚)(1 − 𝑐𝑜𝑠(132° + 1°)) = 1.345598 𝑚 𝑚 𝐸𝑃2 = (19.308 𝑘𝑔)(9.81 2 )(1.345598 𝑚) = 254.871708 𝐽 𝑠 𝑚 𝐸𝐶1 = (30𝑘𝑔𝑚)(9.81 2 ) = 294.3 𝐽 𝑠 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 294.3 𝐽 − 254.871708 𝐽 = 39.428291𝐽 Sin considerar gravedad 1𝑘𝑔𝑚 ) = 25.980806 𝑘𝑔𝑚 9.81𝐽 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 30 𝑘𝑔𝑚 − 25.980806 𝑘𝑔𝑚 = 4.019193 𝑘𝑔𝑚 𝐸𝑃2 = (254.871708 𝐽)(

Probeta 7 ℎ = (0.8𝑚)(1 − 𝑐𝑜𝑠(128° + 1°)) = 1.303456 𝑚 𝑚 𝐸𝑃2 = (19.308 𝑘𝑔)(9.81 2 )(1.303456 𝑚) = 246.889530 𝐽 𝑠 𝑚 𝐸𝐶1 = (30𝑘𝑔𝑚)(9.81 2 ) = 294.3 𝐽 𝑠 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 294.3 𝐽 − 246.889530 𝐽 = 47.410469𝐽 Sin considerar gravedad 1𝑘𝑔𝑚 ) = 25.167128 𝑘𝑔𝑚 9.81𝐽 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 30 𝑘𝑔𝑚 − 25.167128 𝑘𝑔𝑚 = 4.832871 𝑘𝑔𝑚 𝐸𝑃2 = (246.889530 𝐽)(

Los resultados calculados se presentan en la Tabla 4, ordenados de forma ascendente en valor de la temperatura.

Tabla 4. Resultados calculados sobre la energía absorbida Temperatura (°C)

Energía absorbida (J)

Energía absorbida (Kgm)

Probeta

-10

4.342087

0.442618

4

-8

6.577333

0.670472

2

5

12.885113

1.313467

5

19.2

33.770003

3.442406

1

19.2

39.428291

4.019193

3

90

39.428291

4.019193

6

100

47.410469

4.832871

7

Los datos fueron ordenados del valor menor al mayor en temperatura

Estos datos se pueden graficar en un diagrama Energía-Temperatura y con este podemos observar la temperatura de transición dúctil-frágil.

Figura 16. Diagrama Energía-Temperatura de transición frágil-dúctil de un acero al bajo carbono. Con energía en Joules.

Figura 17. Diagrama Energía-Temperatura de transición frágil-dúctil de un acero al bajo carbono. Con energía en Kilogramo metro.

La temperatura de transición dúctil frágil podría encontrarse en el intervalo de -8°C a 19.2°C aproximadamente.

Determinación de la proporción de superficie de fractura El porcentaje de ductilidad del material se calcula en base a la tabla de cizallamiento porcentual (Tabla 2) para mediciones hechas en milímetros en relación a las dimensiones de la zona gris que se muestra en el área de fractura de nuestra probeta, considerando como un 100% un material dúctil. Dichas dimensiones se estimaron con la ayuda de un escalímetro.

Probeta No.1 Temperatura (probeta)= 19.2 °C Energía absorbida = 3.814701 kgm Dimensión en A= 7mm Dimensión en B= 7mm % Ductilidad del material= 43% Figura 18. Probeta 1 fracturada.

.

Probeta No.2 Temperatura (probeta)= -8 °C Energía absorbida = 0.905304 kgm Dimensión en A= 9mm Dimensión en B= 8mm % Ductilidad del material= 10% Figura 19. Probeta 2 fracturada.

.

Probeta No.3 Temperatura (probeta)= 19.2 °C Energía absorbida = 4.411115 kgm Dimensión en A= 7mm Dimensión en B= 6mm % Ductilidad del material= 47% Figura 20. Probeta 3 fracturada.

.

Probeta No.4 Temperatura (probeta)= -10 °C Energía absorbida = 0.660453 kgm Dimensión en A= 9.5mm Dimensión en B= 8mm % Ductilidad del material= 5% Figura 21. Probeta 4 fracturada.

Probeta No.5 Temperatura (probeta)= 5 °C

.

Energía absorbida = 1.589465 kgm Dimensión en A= 8mm Dimensión en B= 8mm % Ductilidad del material= 20%

Figura 22. Probeta 5 fracturada.

.

Probeta No.6 Temperatura (probeta)= 90 °C Energía absorbida = 4.411115 kgm Dimensión en A= 5mm Dimensión en B= 6mm % Ductilidad del material= 62% .

Figura 23. Probeta 6 fracturada.

Probeta No.7 Temperatura (probeta)= 100 °C Energía absorbida =5.249272 kgm Dimensión en A= 4mm Dimensión en B= 5mm % Ductilidad del material= 75%

Figura 24. Probeta 7 fracturada.

Figura 25. Diagrama Temperatura contra Ductilidad aproximada.

.

Observaciones Al momento de realizar los cálculos de las energías adicionamos 1° de cada uno de los ángulos de postimpacto 𝜷 debido a que es lo que se pierde por el simple hecho de la fricción con el aire, y se debe de compensar para mantener el balance de energía. Esto lo pudimos observar al principio de la práctica realizando una prueba en la máquina de impacto sin probeta midiendo el ángulo 𝜷. Durante la práctica consideramos algunos factores que afectan drásticamente la energía que puede absorber un material, 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 están relacionadas con la transición dúctilfrágil que experimentan algunos materiales al disminuir la temperatura. En los materiales puros, la transición dúctil-frágil debe ocurrir a una temperatura determinada, sin embargo, para muchos materiales esa transición ocurre en un rango amplio de temperaturas el cual está dado por la composición especıfica de cada material. El factor de la temperatura afecta la cantidad de energía que puede absorber un material, ya que a menor temperatura la absorción de energía será menor mientras que al aumentar ésta se incrementa considerablemente la resiliencia (energía absorbida por un material), por lo que podemos observar en la parte donde se generó la ruptura una zona más grisácea lo cual nos indica una gran cantidad de absorción de energía por lo que presenta una resiliencia el material.

Figura 26. Imagen de la sección de corte.

Figura 27. Gráfica Variación de tiempo-Resiliencia

De la descripción de la prueba de impacto a la cual se sujetó la barra mellada no nos da la tenacidad verdadera, sino su comportamiento en función de una muesca en particular; sin embargo, los resultados son útiles para propósitos de comparación. La prueba de la barra mellada se utiliza en las industrias aeronáutica y automotriz, que ha encontrado, por experiencia, que la prueba de alta resistencia al impacto generalmente garantizará un servicio satisfactorio de las piezas que pueden experimentar cargas de choque o impacto.

Otro factor importante que se consideró en la práctica es el radio de la muesca o entalla, ya que, si el maquinado era deficiente, ocasionaría una concentración de esfuerzos mayor en esa área mal maquinada. Por otra parte, la fractura comienza en los sitios donde la concentración de tensiones es mayor. Es por ello que las entallas o grietas presentes en un material conlleva un aumento en fragilidad. La muesca se realizó en base a la norma en forma de V, en dicha muesca se concentrarán esfuerzos los cuales ayudarán a la probeta a romperse al momento de que el péndulo impacte contra esta.

Figura 28. Imagen de la entalladura tipo “V”. A continuación se describirá la apariencia resultante de cada probeta en el área de fractura y su significado fractográfico con base en la figura 8. Probeta 1: El ensayo se llevó a cabo a temperatura ambiente y es posible observar que cerca del 40% de la superficie se ve suave y gris y por lo tanto presenta fractura dúctil en ésta región. . Probeta 2: Ésta probeta corresponde a las sumergidas en hielo seco para alcanzar temperaturas por debajo de los 0°C, en este caso observamos que una mínima parte de la superficie (cerca de 10%) presenta fractura dúctil, es decir, la mayor parte presentó fractura frágil. Probeta 3: Esta probeta fue ensayada a temperatura ambiente y se observa que cerca del 47% de la superficie se fracturó de forma dúctil. Probeta 4: Este ensayo fue realizado con la probeta a una temperatura de -10°C, por lo que la ductilidad se vió seriamente afectada disminuyendo hasta un 5% aproximadamente pues es posible observar que casi toda la superficie es brillante por la fractura frágil. Probeta 5: Esta probeta se ensayó a 5°C y presenta una ductilidad intermedia entre las que se encontraban a temperatura ambiente y las que se encuentran por debajo de los 0°C, su región gris corresponde a un 20% aproximadamente. Probeta 6: Esta probeta se ensayó a alta temperatura, de 90°C, y más de la mitad de la superficie tuvo una fractura dúctil indicando el incremento de ésta propiedad a elevadas temperaturas.

Probeta 7: Este ensayo fue el de más alta temperatura, alcanzando la probeta los 100°C, y se puede observar que cerca del 75% de la superficie es lisa mientras el resto es opaca, por lo que se puede deducir que en su mayor parte tuvo una fractura dúctil. Las gráficas de Energía-Temperatura y de Temperatura-%Ductilidad muestran una temperatura de transición dúctil-frágil aproximada debido a la carencia de ensayos realizados. por lo que no es posible apreciar de manera precisa esta temperatura.

Conclusiones Flores Caballero Ricardo Emanuel En la elaboración de esta práctica nos fue posible determinar la tenacidad de un material, que es la energía que puede almacenar antes de romperse, a partir de los datos arrojados por la máquina de impacto y los calculados. Además nos fue posible comprobar que la temperatura de un material es un factor determinante a la hora de soportar un esfuerzo. Mientras menor sea la temperatura del material, la ductilidad del mismo disminuirá y por lo tanto el material se romperá con mayor facilidad. Por otro lado si la temperatura es mayor el material tendrá una mayor ductilidad y será capaz de absorber una mayor energía. A esta propiedad se le llama tenacidad y es importante tener en cuenta estos factores a la hora de diseñar una pieza, para elegir el material más apropiado para desarrollar cierta función. Por lo tanto el acero bajo carbono utilizado en esta práctica no es viable usarlo en condiciones de clima frío. López Gutierrez Juan Carlos Los resultados obtenidos por esta práctica nos indican que el acero bajo carbono que se ocupó, no podría ser muy viable para ser usado en climas fríos, porque si lo analizamos con la temperatura de transición dúctil-frágil sacada de la gráfica, nos dice que está cerca de la temperatura ambiente. Por tanto, es un material frágil que que no debería ser usado en algunas construcciones que se encuentren frente a estas condiciones. Sin embargo, debemos tener en cuenta que estos cálculos son aproximados debido a la falta de pruebas para obtener una mejor visualización de la gráfica y un promedio de estos resultados. También podemos concluir que el material gana más tenacidad mientras más temperatura tenga y pierde cuando menos temperatura haya. Y cabe mencionar que esta es una tenacidad relativa que únicamente se usa para comparar materiales entre sí.

Miranda Roque Axel Enrique La prueba de ensayo de impacto es de gran importancia en el momento de elegir materiales para distintas condiciones de operación y uso, pues los materiales que parecen ser muy resistentes a esfuerzos de tensión, compresión o corte pueden ser débiles en cargas aplicadas de forma instantánea. De los resultados calculados y las observaciones realizadas es posible concluir que el acero bajo carbono no es totalmente viable bajo condiciones de clima frío, ya que disminuye considerablemente su tenacidad, sin embargo, éste adquiere una excelente tenacidad a mayores temperaturas presentando una resistencia a la fractura frágil

muy superior y esto debe tomarse en cuenta al comparar materiales para diseñar elementos en estructuras y componentes de distintas áreas de la ingeniería.

Nicolás Espinosa Miguel Ángel Con base a los resultados de las pruebas de impacto tipo Charpy, la energía que pueden absorber los materiales antes de sufrir una fractura se ven afectados por la temperatura y el tipo de muesca (entalladura) que presenta la probeta. En las probetas que se analizaron al calentarlas a una temperatura elevada la energía que absorbieron (tenacidad) fue mayor que las probetas a baja temperatura y esto debe a la transición de dúctil-frágil que presentan los metales por causa de la temperatura. Este factor es muy importante en la ingeniería ya que aviones y barcos han sufrido grandes daños en sus estructuras debido a la transición dúctil-frágil que presentan sus materiales. El acero bajo carbono probado en esta práctica por tanto no es viable que pueda ser utilizado en climas fríos a bajas temperaturas, ya que la gráfica nos muestra que su temperatura de transición es cercana a la del ambiente . La muesca (entalladura) es otro factor que afecta considerablemente en las pruebas de impacto tipo Charpy, en nuestras probetas se presenta una concentración de esfuerzos en la entalladura tipo “V” por lo que facilitará la ruptura en esa zona. Los resultados de la práctica solo sirven para hacer comparación entre la ductilidad de los materiales a diferentes temperaturas ya que en cuestiones de diseño la ductilidad que se debe de ocupar es la de un ensayo de tensión.

Bibliografía empleada ● ASKELAND, Donald R. (2016) Ciencia e Ingeniería de Materiales Séptima Edición. México. Cengage Learning ● AVNER.H. (1988). Introducción a la Metalurgia Física Segunda Edición. México. McGraw-Hill ● ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials ● NMX B-120-1987: Prueba de Impacto para Materiales Metálicos. ● Ortega,Y. (2006). Prueba de Impacto: ensayo Charpy. Revista mexicana de Física E-52,1-7.