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ANÁLISIS Y APLICACIÓN DE UN REFUERZO EXTERNO PARA ENSAYOS DE IMPACTO CHARPY Wilson Renné Cuchipe Díaz Palabras clave: Energía absorbida, tenacidad, Charpy, refuerzo, fractura, temperatura.

Resumen El ensayo de Impacto Charpy muestra el comportamiento especifico de una probeta el cual está sujeto a la aplicación de una fuerza, que tiene como resultado tensiones multiaxiales, las cuales están asociadas a la entalla. La aplicación de la fuerza se produce por un golpe, de gran intensidad. Este ensayo es realizado a altas y bajas temperaturas aplicando probetas con y sin refuerzo. Los distintos tipos de muestra dependen de las características del material a ser ensayado. Una probeta dada, en general depende del tipo de velocidad utilizada, el tipo de entalla y el refuerzo utilizado. Abstract The Charpy Impact test shows the specific behavior of a specimen which is subject to the application of a force, which results in multiaxial stresses, which are associated with the notch. The application of force is produced by a blow, of great intensity. This test is performed at high and low temperatures by applying specimens with and without reinforcement. The different types of sample depend on the characteristics of the material to be tested. A given specimen, in general, depends on the type of speed used, the type of notch and the reinforcement used.

esfuerzos que intenten deformarlo, bien sea elástica o plásticamente. 1.

Introducción

El nombre del ensayo se debe a su creador Agustín Georges Albert Charpy (1865 – 1945). A través del mismo se puede conocer el comportamiento que tienen algunos tipos de materiales ante el impacto. El cual consiste en golpear mediante una masa a una probeta situada en un soporte. La masa, la cual se encuentra acoplada al extremo del péndulo, se deja caer desde una altura determinada, mediante la cual se controla la velocidad de aplicación de la carga en el momento del impacto. Una propiedad sumamente importante de los materiales es su capacidad de absorción de energía, esta resulta indispensable a la hora de seleccionar el material adecuado para diseñar algún elemento que vaya estar sometido constantemente a la acción de

Este ensayo determina, la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para producir la fractura de la probeta de un solo impacto. Este concepto no ofrece una propiedad definida del material, sino que constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos realizados en idénticas condiciones, dado que no admite otra condición de comparación o semejanza. Por lo tanto, deben tenerse en cuenta los distintos factores que producen el efecto fragilizante. El bate piedra es una mezcla de resinas acrílicas cuya función es formar una barrera que impida la corrosión y humedad, para este ensayo se utilizó como recubrimiento de la probeta para estudiar si se lograba mejores resultados en sus propiedades mecánicas, de esta manera reducir costos a diferencia de un tratamiento térmico. 1

Entre sus principales características se tiene: 2.

Objetivos Objetivo General:



Determinar la capacidad de absorción de energía de un acero AISI 1045 con recubrimiento (batepiedra)

Es un material de fácil adquisición y mecanización, buena tenacidad, presenta una sección cuadrada y con un bajo costo. Entre sus principales propiedades se tiene: PROPIEDADES Composición del carbono

Objetivos Específicos: 



3.

Determinar la capacidad de absorción de energía de un acero a diferentes temperaturas Graficar y analizar curva temperatura Vs absorción de energía Marco Teórico

El péndulo de Charpy es una maquina utilizada para determinar la tenacidad de un material. Son ensayos de impacto de una probeta entallada y ensayada a flexión en 3 puntos. El principio de funcionamiento de este ensayo se basa en la física clásica de conservación de la energía pues. La energía se mide de N-m [Joules] o lb-pie. Si este ensayo se repite con el material a diferentes temperaturas al final se obtendrá una curva, en la cual las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química, esto obliga a realizar el ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una "temperatura de transición dúctil-frágil" Pues bien, la energía absorbida por la probeta ensayada se puede expresar matemáticamente como sigue: 4.

Marco Experimental

Características de la maquina: Tipo de maquina: CHARPY II

Forma de suministro Límite de fluencia Resistencia a la tracción Alargamiento porcentual Reducción del área Dureza (HB)

Teniendo en cuenta en las condiciones en que va a trabajar la probeta se seleccionó un acero ASTM 1045.

40 kgf/mm2 63-73 kgf/mm2 16% 40% 163

Según la norma ASTM E23 La probeta estándar para los ensayos de impacto es una pieza de 10 X 10 X 80 mm, la cual debe ser maquinada por todos sus lados y tener las dimensiones establecidas.

Para selección el material de refuerzo se tiene en cuenta: Resistencia a elevadas temperaturas Refuerzo debe ser miscible con el material base Refuerzo: SILTEX 800, teniendo las siguientes características PROPIEDADES Naturaleza

Capacidad de energía: 335.4 Joules Velocidad antes del impacto: 4.4 m/s

CARACTERÍSTICAS C: 0.43-0.5% P:0.04% max S: 0.05% max Mn: 0.6-0.9% Varillas o ejes

Color Espesor Fillmseco Rendimiento

CARACTERISTICAS Elastómeros y resinas sintéticas Gris, negro y blanco 150-200 micras 1 capa 5-7 m2/kg

El refuerzo a utilizar una mezcla de resinas acrílicas cuya función es formar una barrera que impida la 2

corrosión y humedad, para disminuir su viscosidad. se lo puede disolver con 10% de agua Dependiendo de su calidad tiene una duración de 5 a 8 años. Entre sus principales aplicaciones se tiene:  Producto para recubrimientos de los baldes de camionetas  Producto con alta resistencia a altas y bajas temperaturas.  Costo accesible $80.00 por litro No se debe aplicar directamente a la probeta, se recomienda dar un fondo. Para temperaturas bajas El método más accesible para enfriamiento es con hielo seco, debido a que tiene una capacidad de enfriamiento hasta -78°C y con un costo de $5.00 por kilogramo Para temperaturas altas Para el método de calentamiento se emplea un horno OSTER que alcanza una temperatura de 250 °C, con ayuda de una perrilla graduada puede llegar y mantener la temperatura requerida. Para temperaturas más precisas se utilizará pirómetro para verificar que la temperatura del horno sea la exacta.

Las dimensiones de las probetas sin refuerzo a utilizar son las siguientes: DIMENSIONES A

B

H

10

10

10

10

8

10

10

8,2

10

10

8,2

10

10

8,2

10

10

8,5

10 10

10 10

8,1 8,5

10

10

8,3

10

10

8,1

10

10

8,1

10

10

8,2

10

10

8,3

10

10

8,2

10

10

8,1

TEMPERATURA ÁREA DE °C IMPACTO (cm2) 0 0,8 -31 0,8 -6,7 0,8 -10 0,8 -10 0,8 -10 0,8 -20 0,8 -20 0,8 -20 0,8 -25 0,8 -25 0,8 20 0,81 20 0,8 20 0,82 53 0,82 53,1 0,82 44,9 0,85 77,3 0,81 73,5 0,85 72,8 0,83 100 0,81 100,1 0,81 97,7 0,83

8,1

RESILIENCIA (kgf/cm) 95,59839497 140,2109793 114,718074 50,98581065 50,98581065 127,4645266 114,718074 63,73226331 63,73226331 140,2109793 101,9716213 125,891 127,465 124,356 186,533 186,533 155,956 198,957 277,936 294,858 251,781 251,781 245,714

3

130 126,5 121,7 145,5 147,2 152,2

0,82 0,81 0,81 0,82 0,81 0,82

186,543 214,014 201,426 186,533 251,781 198,97

En esta grafica se aprecia la curva de temperatura vs energía donde juega un papel muy importante la temperatura a la que se encuentra la probeta

TEMPERATURA VS ENERGIA 25 20

Ejecutando las pruebas en el péndulo Charpy se tiene los siguientes resultados

15 10

TEMPERATURA

ENERGÍA

53 53.1 44.9 77.3 73.5 72.8 100 100.1 97.7 130 126.5 121.7 149.5 147.2 152.2

15 15 13 16 19 24 20 20 20 15 17 16 15 20 16

A.

81 80 82 82 82 85 81 85 83 81 81 82 83 82 81

COEFICIENTE

0.1851852 0.1875 0.1585366 0.195122 0.2317073 0.2823529 0.2469136 0.2352941 0.2409639 0.1851852 0.2098765 0.195122 0.1807229 0.2439024 0.1975309

Dimensiones de las probetas con recubrimiento, con variaciones en sus medidas (deberían ser de 10mm las dimensiones A y B)

TEMPERATURA 273 269,9 266,3 263 263 263 253 253 253 248 248

ENERGIA 7,5 11 9 4 4 10 9 5 5 11 8

A. REDUCIDA 82,7676 81,4549 82,668 81,8885 83,748 79,76 81,5546 81,0744 83,0664 84,9444 81,8537

5 0 223

273

373

423

473

El módulo de resiliencia es una medida, que puede llamarse “resistencia a la energía elástica del material” y es de importancia en la selección de materiales para servicio cuando las partes están sometidas a cargas de energía, pero cuando los esfuerzos deben mantenerse dentro del límite elástico. Debe señalarse que para un alto módulo de resiliencia un material debe poseer una resistencia elástica relativamente alta, un módulo de elasticidad bajo, o ambos

DIMENSIONES A

COEFICIENTE 0,09061517 0,13504406 0,10886921 0,04884691 0,04776233 0,12537613 0,11035552 0,06167175 0,06019281 0,12949647 0,09773535

323

Área de impacto (mm2) 80 80 80,5 79,5 83,394 85,8661 81,1236 81,8884

B 9,96 9,97 9,96 9,95 9,97 9,97 9,97 9,96 9,96 9,97 9,97 Área de impacto (cm2) 0,8 0,8 0,805 0,795 0,83394 0,858661 0,811236 0,818884

H 9,97 9,98 9,96 9,95 9,96 9,93 9,93 9,96 9,97 9,97 9,97 Energía Absorbida (kgf*cm) 112,168783 112,168783 163,154594 203,943243 203,943243 203,943243 224,337567 224,337567

8,31 8,17 8,3 8,23 8,4 8 8,18 8,14 8,34 8,52 8,21 Resiliencia (kgf/cm) 140,210979 140,210979 202,676514 256,532381 244,553856 237,513108 276,537983 273,955245

4

80,3772 79,6 83,7618 79,5584 81,3045 84,203 79,6537 78,507 79,5606 81,294

0,803772 0,796 0,837618 0,795584 0,813045 0,84203 0,796537 0,78507 0,795606 0,81294

244,731891 244,731891 234,534729 203,943243 229,436148 203,943243 203,943243 163,154594 152,957432 173,351756

304,479244 307,452125 280,002016 256,344073 282,193664 242,204248 256,037375 207,821715 192,252738 213,24053

Área de Área de Energía Resiliencia impacto impacto Absorbida (kgf/cm) (mm2) (cm2) (kgf*cm) 80,16666667 0,80166667 129,164054 161,032824 82,92003333 0,82920033 203,943243 246,199781 81,12973333 0,81129733 231,135675 284,990824 80,9734 0,809734 227,736621 281,266071 81,7204 0,817204 212,440878 260,145096 79,7872 0,797872 163,154594 204,438328

Resiliencia Vs Temperatura RESILIENCIA (KGF/CM)

350 300 250 200

ENERGIA

150 100 50 0 0

50

100

150

200

TEMPERATURA (°C)

25 27 25 25 24

COEFICIENT E 0,31019294 0,36910458 0,31212935 0,34904014 0,28978508

e 1,375 1,563 1,575 1,138 1,35

DIMENSIONES GENERALES A B H 9,95 9,5 8,1 9,5 9,7 7,7 9,65 9,7 8,3 9,55 9 7,5 10,1 9,5 8,2

Con los resultados anteriores se pudo construir la siguiente gráfica:

Energía Absorbida vs Temperatura ENERGÍA ABSORBIDA (KGF*CM)

A. REDUCIDA 80,595 73,15 80,095 71,625 82,82

250 200

Una vez ensayada las 5 probetas se obtuvo los siguientes resultados ya tabulados.

150 100 50 0

0

50

100

150

200

TEMPERATURA (°C)

A temperatura ambiente y la probeta con refuerzo se tiene las siguientes dimensiones.

5.

Análisis del ensayo

Con el fin de estudiar si el recubrimiento aumenta su tenacidad y resistencia del acero AISI 1045 a altas y bajas temperaturas, el desarrollo de los ensayos permite comparar los resultados con sus respectivas gráficas, analizando la proporcionalidad que existe entre la temperatura y la resistencia, dado que a mayor 5

temperatura mayor es la resistencia del material, notando la diferencia entre las probetas con recubrimiento y las sin recubrimiento.

Las probetas utilizadas para este ensayo deben ser prácticamente iguales para obtener resultados más cercanos entre sí.

La temperatura juega también un papel muy importante debido a que en el laboratorio no se dispone de los equipos necesarios para el enfriamiento y calentamiento de las probetas, se llevó a la temperatura necesaria para cada caso seguidamente se puso la probeta de la forma más rápida posible para evitar que la probeta pierda o gane calor.

La transición dúctil-frágil es muy importante, ya que determina el comportamiento de un material puesto a ciertas condiciones de ambiente, al tener en cuenta la transición dúctil-frágil se puede evitar un fallo catastrófico de una pieza.

La dificultad más grande al momento de realizar los ensayos fue la precisión del Péndulo de Charpy, cuando se utiliza una máquina de ensayo de impacto para conocer la energía de fractura de las probetas, es necesario tener confianza en la precisión de los resultados que se obtengan. Muchos métodos de ensayos que se basan en las normas ASTM, EN ó ISO estipulan que la máquina de ensayo de impacto debe cumplir unos requisitos de rendimiento específicos y tener un certificado de calibración válido, que demuestre la conformidad de la misma con las normas.

7.

Referencia Bibliográfica

[1] ASTM E23 (2007) Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials [2] Aceros BRAVO, Aceros al carbono, suministro laminado y trefilado. Recuperado de http:/www.acerosbravo.cl.imgmodulo/Imagen/112.pdf [3] ROBERLO Siltex 800, Protector anti gravilla HS Premium. Recuperado de: http://es.roberlo.com/carroceria/productoscomplementarios/protectores-y-selladores/siltex-800/

El entalle tipo V aplicado a las probetas genera esfuerzos triaxiales por lo que la fractura se produce en los tres ejes, es un indicativo para cubrir toda la geometría de la probeta con recubrimiento.

[4] ARIZA D. Informe de laboratorio de Charpy Análisis de absorción de energía. Recuperado de: https://www.academia.edu/25352812/INFORME_DE_ LABORATORIO_DE_CHARPY_AN%C3%81LISIS_ DE_ABSORCI%C3%93N_DE_ENERG%C3%8DA?a uto=download

Dicho recubrimiento absorbe el impacto reduciendo así la energía recibida por el acero, esto hace que aumente la diferencia de energía potencial, sin embargo, la tasa según la cual la energía es absorbida puede afectar marcadamente el comportamiento de un material, y así pueden obtenerse diferentes medidas de resistencia a las cargas de impacto.

[5] Rubio I. Yuquilema B. Diseño y construcción e implementación de un sistema de elevación y frenado del péndulo Charpy. Recuperado de: http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/2339/ 1/15T00506.pdf

6.

Conclusiones

Se ha podido comprobar que en el ensayo con el Péndulo Charpy se obtienen resultados muy dispersos, ya que el factor del cambio de ambiente afecta sensiblemente la medición, asi como la calibración de la máquina. La tenacidad a la fractura de un material se ve afectada notablemente por la temperatura.

[6]https://www.pinturasunidas.com/uploads/productos/ automotriz/16%20Batepiedra%20Poliuretano%20PU9098%20-%20PU-098%20(2).pdf [7] Ensayo Charpy Recuperado de: http://www.aendur.ancap.com.uy/boletin/JorTec/Mono graf%C3%ADas/Archivos/An%C3%A1lisis%20de%2 0las%20probetas%20de%20impacto.pdf [8] Ortega. Y Prueba de impacto Recuperado de: https://rmf.smf.mx/pdf/rmf-e/52/1/52_1_51.pdf 6