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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA FACULTAD DE INGENIERÍAS CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES

GUÍA DE PRÁCTICA # 2 Título: Ensayo de impacto Charpy. 1.OBJETIVO GENERAL. Conocer el funcionamiento de una máquina para el ensayo de impacto (Charpy) donde se produce una absorción de energía, y las diferencias de dureza que existen entre cada uno de los materiales utilizados en la industria y en el laboratorio, determinando así el tipo de material

idóneo a emplear para realizar algún trabajo

de ingeniería con

seguridad. 1.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.  Conocer el funcionamiento de la máquina.  Analizar el comportamiento comparativo de los materiales ensayados ante este tipo de cargas.  Determinar experimentalmente la resiliencia (o energía absorbida del choque producido) por algunos materiales metálicos a través de la realización del ensayo o prueba de impacto tipo Charpy.  Comparar la absorción de carga de impacto de diferentes materiales metálicos para igual condición de ensayo.

2. MARCO TEÓRICO. El péndulo de Charpyse utiliza en ensayos para determinar la tenacidad de un material. Son ensayos de impacto de una probeta entallada y ensayada a flexión en 3 puntos. El péndulo cae sobre el dorso de la probeta y la parte. 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 área debajo de la curva de carga, desplazamiento que se conoce como resiliencia.

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2.1. Instrumental La máquina de ensayo tiene una construcción rígida y estable, de forma, de que las pérdidas de energía (debido a traslación, rotación o vibración) en el armazón de la maquina, durante el ensayo, son despreciables. Maquina de ensayo, TIPO MAGLIO CHARPY Nº 203 Distancia al centro de golpe

823 mm

Angulo máximo de rotación

159.20 grados

Oscilación completa

1º33.6

Altura total de caída

1595 mm

Trabajo total de choque

15.47 Kgf.m



El plano de oscilación del martillo debe ser vertical.



El centro de percusión debe estar en el centro de impacto del martillo



La máquina de ensayo deberá estar provista de un instrumento que

permita lecturas con aproximación de +- 0.5 % de la capacidad máxima de impacto 2.2. Condiciones de ensayo Los ensayos deberán realizarse a temperatura ambiente. La muestra debe alcanzar el equilibrio térmico en toda su masa. La velocidad de impacto no deberá variar, a los efectos comparativos, de los valores normalizados. Los valores de la velocidad, energía de impacto, temperatura de ensayo y tipo de probeta deberán consignarse al comienzo del informe sobre la experiencia realizada.

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El valor de la energía absorbida resultará de la resta del máximo valor en “Kgm” que indique la máquina en la prueba en vacío menos el valor que indique en “Kgm” cuando se haga la prueba con la

probeta y resultará

siempre del promedio de tres determinaciones como mínimo.

3. MATERIAL Y EQUIPOS.  Probetas de distintos metales.  Máquina para ensayo Charpy.  Calibrador.  Hojas guías. 4. PROCEDIMIENTO. Para el ensayo en vacío  Mover el indicador de la escala graduada “Kgm” a cero.  Proceder a inspeccionar el funcionamiento de la máquina haciendo pruebas en vacío (sin probeta) verificando el funcionamiento del sistema de frenado del péndulo.  Levantar el péndulo hasta la altura en la cual llega al seguro (1595 mm).  Poner el seguro en el brazo del martillo.  Accionar el freno de la maquina (por seguridad).  Ubicarse frente a la escala graduada.  Mover el indicador a una medida que se la pueda leer fácilmente, (cero o uno) en la escala “Kgm”.  Quitar el freno  Ubicarse frente al seguro.  Quitar el seguro del brazo del martillo.  Accionar el freno y frenar el martillo.  Observar la medida indicada en la escala graduada “Kgm” y anote en su hoja guía de laboratorio para saber cuál es la medida de referencia.

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Para el ensayo utilizando la probeta  Mover el indicador de la escala graduada “Kgm” a cero.  Levantar el péndulo hasta la altura en la cual llega al seguro (1595 mm).  Poner el seguro en el brazo del martillo.  Accionar el freno de la maquina (por seguridad).  Seleccione la probeta a ensayar (según lista de materiales).  Coloque la probeta de prueba en los apoyos de la máquina correspondiente a la altura h=0; procurando que quede centrada.  La probeta se colocara con el entalle hacia adentro  Ubicarse frente a la escala graduada “Kgm”.  Regular el indicador a una medida que se la pueda leer fácilmente (cero o uno).  Quitar el freno.  Ubicarse frente al seguro del brazo del martillo  Quitar el seguro  Dejar que el martillo golpee la probeta en el plano de simetría del entalle y sobre la cara opuesta a la que lo contiene.  Levantar el freno y frenar el martillo.  Observar la medida indicada en la escala graduada “Kgm”  Tome la lectura del indicador y anote el resultado en su guía de laboratorio.  Proceda a realizar los cálculos, con las medidas tomadas.

4.1. Hoja de datos. E.v (Kgm)

Energía al vacio.

E.ens.(Kgm) Energía durante el ensayo. E.o (Kgm)

Energía absorbida por la probeta.

S.o (cm2)

Área de sección transversal de la probeta.

K=Eo/So

Resiliencia.

Kprom

Resiliencia promedio.

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Material acero Probeta 1

Probeta 2

Probeta 3

Probeta 4

Probeta 5

E.v (Kgm)

15.7

15.7

15.7

15.7

15.7

E.ens.(Kgm)

12.3

12.5

13.8

13.2

13.2

E.o (Kgm)

3.4

3.2

1.9

2.5

2.5

S.o (mm2)

37

47

36

37.2

42.2

K=Eo/So

91891,891

68085,106

52777,777

67204,301

59241,706 Kprom=67840,156

Material Aluminio Probeta 1

Probeta 2

Probeta 3

Probeta 4

Probeta 5

E.v (Kgm)

15.7

15.7

15.7

15.7

15.7

E.ens.(Kgm)

15.05

14.98

15.07

15.09

15

E.o (Kgm)

0.65

0.72

0.63

0.61

0.7

S.o (mm2)

47

54.8

48.6

49

46

K=Eo/So

13829,787 13138,686 12962,962 12448,979

15217,391 Kprom=13519,561

5. INFORME. 5.1. ¿Qué es resiliencia y tenacidad? GUÍA DE PRÁCTICAS/REV-2014

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Módulo de resilencia: En particular, cuando el esfuerzo 𝜎 alcanza el límite de proporcionalidad, a la densidad de la energía de deformación unitaria, calculada con la ecuación 𝑢 =

1𝜎 2 2𝐸

, se le llama módulo de resilencia. Esto es:(Hibbeler, 2006)

En la región elástica del diagrama de esfuerzo-deformación unitaria, advierta que u, es equivalente al área triangular sombreada bajo el diagrama. La resilencia de un material representa físicamente la capacidad de éste de absorber energía sin ningún daño permanente en el material(Hibbeler, 2006) Módulo de tenacidad: Otra propiedad importante de un material es el módulo de tenacidad, 𝑢𝑟 . Esta cantidad representa el área total dentro del diagrama de esfuerzo-deformación, y por consiguiente indica la densidad de la energía de deformación unitaria del material precisamente antes de que se rompa. Esta propiedad resulta importante cuando se diseñam miembros que pueden sobrecargarse accidentalmente. Los materiales con un módulo de tenacidad elevado se distorsionarán mucho debido a una sobrecarga; sin embargo, pueden ser preferibles a aquellos con un valor bajo, puesto que los materiales que tienen un 𝑢𝑡 bajo pueden fracturarse de manera repentina sin indicio alguno de una falla próxima. La aleación de los metales pueden también cambiar su resilencia y tenacidad. Por ejemplo, al cambiar el porcentaje de carbono en el acero, los diagramas de esfuerzo-deformación resultantes indican cómo pueden cambiar a su vez los grados de resilencia y de tenacidad en tres aleaciones.(Hibbeler, 2006)

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5.2. Realice los cálculos para obtener la resiliencia de cada probeta. Acero 10-18

𝑃𝑅𝑂𝐵𝐸𝑇𝐴 1 → 𝐾 =

𝐸𝑂 3,4 𝐾𝑔. 𝑚 (1000 𝑚𝑚)2 = 𝑥 = 91891,891 𝑘𝑔/𝑚 𝑆𝑂 37𝑚𝑚2 (1𝑚)2

𝑃𝑅𝑂𝐵𝐸𝑇𝐴 2 → 𝐾 =

𝐸𝑂 3,2 𝐾𝑔. 𝑚 (1000 𝑚𝑚)2 = 𝑥 = 68085,106 𝑘𝑔/𝑚 𝑆𝑂 47𝑚𝑚2 (1𝑚)2

𝑃𝑅𝑂𝐵𝐸𝑇𝐴 3 → 𝐾 =

𝐸𝑂 1,9 𝐾𝑔. 𝑚 (1000 𝑚𝑚)2 = 𝑥 = 52777,777𝑘𝑔/𝑚 𝑆𝑂 36𝑚𝑚2 (1𝑚)2

𝑃𝑅𝑂𝐵𝐸𝑇𝐴 4 → 𝐾 =

𝐸𝑂 2,5 𝐾𝑔. 𝑚 (1000 𝑚𝑚)2 = 𝑥 = 67204,301 𝑘𝑔/𝑚 𝑆𝑂 37,2𝑚𝑚2 (1𝑚)2

𝑃𝑅𝑂𝐵𝐸𝑇𝐴 5 → 𝐾 =

𝐸𝑂 2,5 𝐾𝑔. 𝑚 (1000 𝑚𝑚)2 = 𝑥 = 59241,706 𝑘𝑔/𝑚 𝑆𝑂 42,2𝑚𝑚2 (1𝑚)2

Aluminio

𝑃𝑅𝑂𝐵𝐸𝑇𝐴 1 → 𝐾 =

𝐸𝑂 0,65 𝐾𝑔. 𝑚 (1000 𝑚𝑚)2 = 𝑥 = 13829,787𝑘𝑔/𝑚 𝑆𝑂 47𝑚𝑚2 (1𝑚)2

𝑃𝑅𝑂𝐵𝐸𝑇𝐴 2 → 𝐾 =

𝐸𝑂 0,72 𝐾𝑔. 𝑚 (1000 𝑚𝑚)2 = 𝑥 = 13138,686 𝑘𝑔/𝑚 𝑆𝑂 54,8𝑚𝑚2 (1𝑚)2

𝑃𝑅𝑂𝐵𝐸𝑇𝐴 3 → 𝐾 =

𝐸𝑂 0,63 𝐾𝑔. 𝑚 (1000 𝑚𝑚)2 = 𝑥 = 12962,962𝑘𝑔/𝑚 𝑆𝑂 48,6𝑚𝑚2 (1𝑚)2

𝑃𝑅𝑂𝐵𝐸𝑇𝐴 4 → 𝐾 =

𝐸𝑂 0,61 𝐾𝑔. 𝑚 (1000 𝑚𝑚)2 = 𝑥 = 12448,979 𝑘𝑔/𝑚 𝑆𝑂 49𝑚𝑚2 (1𝑚)2

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𝑃𝑅𝑂𝐵𝐸𝑇𝐴 5 → 𝐾 =

𝐸𝑂 0,7 𝐾𝑔. 𝑚 (1000 𝑚𝑚)2 = 𝑥 = 15217,391 𝑘𝑔/𝑚 𝑆𝑂 46𝑚𝑚2 (1𝑚)2

5.3. Realice un diagrama esfuerzo deformación de los materiales que se realizaron los ensayos y muestre la resiliencia.

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ALUMINIO

AISI 10-18 0.00006

0.00006

0.00004

0.00005

0.00002

0.00004

0 3.4

3.2

1.9

2.5

2.5

0.65

0.72

0.63

0.61

0.7

5.4 Consulte en tablas el valor de la resiliencia de los materiales que se realizaron los ensayos y compare con los que calculo. AISI 10-18

Aluminio

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5.5 conclusiones y recomendaciones. CONCLUSIONES 

Después de realizar el ensayo de impacto Charpy a una temperatura ambiente constante y utilizar un marco de referencia que explique el cómo se pudo determinar las diferencias de dureza en un material, se obtuvo datos de la presente tabla en donde cuyo objeto fue encontrar la resiliencia promedio de un material, teniendo en cuenta 3 determinaciones como mínimo.



Se dió a conocer el funcionamiento de la máquina de ensayos por impacto Charpy, el cual muestra el comportamiento específico de un metal el cual está sujeto a la aplicación de una fuerza, que tiene como resultado tensiones multiaxiales, las cuales están asociadas a la entanalla, en donde, la aplicación de la fuerza se produce por un golpe, en donde no existe una relación directa entre la dureza y la tenacidad de un material, es decir, no se puede concluir que un material de alta dureza sea a su vez de alta tenacidad. Otra cosa que cabe notarse

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es el hecho que la temperatura tiene un efecto significativo tanto en la dureza como en la tenacidad, que se puede expresar como que a mayores temperaturas, disminuye la tenacidad, el material absorbe menos energía antes de romperse, pero es más difícil rayar su superficie (es más duro). 

Se analizó el comportamiento de los dos materiales el AISI 10-18 y del aluminio en donde por medio del diagrama esfuerzo vs deformación, se corroboró el carácter dúctil de los metales validando los datos extraídos del ensayo práctico no destructivo



Se determinó experimentalmente la resiliencia de dos materiales metálicos a través de la realización del ensayo tipo Charpy, en donde en resumen se obtuvieron los siguientes resultados finales: MATERIAL



RESILIENCIA K PROM (Kg / m)

AISI 10-18

67840,156

ALUMINIO

13519,561

De igual forma se determinó experimentalmente coeficientes de absorción de carga de impacto dos materiales en las mismas condiciones, donde los resultados son reflejados por la tabla: MATERIAL



ENERGIA ABSORBIDA E o PROM (Kg * m)

AISI 10-18

2,7

ALUMINIO

0,662

El ensayo tipo Charpy es de prioridad a la hora en la ingeniería de construcción ya que en la industria se realizan este tipo de ensayos para pasar pruebas elementales de calidad, indicando que un determinado material no contenga un alto grado de impurezas provocando que la resistencia de material sea baja, y especialmente en condiciones de baja temperatura su ductibilidad se vea reducida. Un ejemplo de lo dicho es el impacto del Titanic (1942) con un iceberg en aguas heladas, lo que conllevó a su posterior hundimiento, otro claro ejemplo fue lo ocurrido en el año 1986 en la explosión del trasbordador Challenger.

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RECOMENDACIONES 

Se aconseja revisar el funcionamiento de la máquina de ensayos de impacto tipo Charpy antes de realizar cualquier acción.



Se avisa que debe haber un correcto ajuste y comprobación del un estado funcional de la máquina de ensayos para una correcta extracción de datos, revisando que el péndulo y el martillo de masas no choquen con el sistema de freno o entre las columnas, de igual forma al indicador y a la escala graduada, finalmente el freno.



Se sugiere el tener un buen criterio a la hora de recolección de información ya que las mediciones pueden tener mucha variabilidad, esto puede deberse a que el material en si no es homogéneo, además también puede variar por efecto de la temperatura y por ultimo por efecto de la propia máquina variando en promedio ±0,0785 kgm entre mediciones (±0,5% de la capacidad total de la máquina).



Se aconseja tener un asesoramiento debido a la hora de tener las probetas listas ya que de igual forma que cualquier otra variable la forma de la muesca afecta directamente a la forma del área transversal donde pueda o no existir una ruptura del material, debido a que es diferente la distribución de esfuerzos, que están en función de la forma de las muescas.



Tomar las seguridades industriales necesarias al momento de ejecutar la práctica, esto es tener cuidado y dar un uso correcto de los equipos de la universidad, así como también, tener precaución de no herir a ningún compañero durante la misma.

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6. ANEXOS. (PLANOS, FOTOS, ETC)

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7. BIBLIOGRAFÍA. Hibbeler, R. C. (2006). Mecánica de Materiales. México: Pearson Education.

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