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SELECCIÓN Y ANÁLISIS DE UN REFUERZO EXTERNO PARA ENSAYOS DE IMPACTO CHARPY SELECTION AND ANALYSIS OF AN EXTERNAL REINFORCEMENT FOR CHARPY IMPACT TESTING ISAÍAS CAICEDO -REYES Magister en Diseño Mecánico Docente de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Email: [email protected]

RESUMEN El ensayo de impacto Charpy es un procedimiento normado cuyo objetivo es obtener el valor de energía que absorbe un material (resiliencia) cuando éste se fractura, producto del impacto de un péndulo, en el cual gira libremente. Este estudio evalúa el comportamiento de un acero de calidad AISI 1045 al impacto y posteriormente lo compara con el comportamiento del mismo material, pero con un refuerzo externo denominado Siltex 800, rigiéndose en los lineamientos de la norma ASTM E23. Previo a la experimentación se analizan factores que determinan el comportamiento del material con y sin recubrimiento, como son: temperaturas de ensayo, espesor del refuerzo, métodos de calentamiento y enfriamiento de las probetas. Para ejecutar un análisis comparativo se analizaron 70 probetas rectangulares con entalle en V, cuyos datos nos sirven para la construcción de la curva de transición dúctilfrágil del material. Los datos obtenidos son altamente de nivel comparativo debido a que son ensayados a las mismas condiciones y temperaturas obteniéndose así la efectividad y comportamiento del refuerzo. PALABRAS CLAVES: Ensayo de impacto, Resiliencia, Refuerzo externo, comportamiento del material. ABSTRACT The Charpy impact test is a regulated procedure whose objective is to obtain the energy value that a material absorbs (resilience) when it fractures, due to the impact

of a pendulum, in which it rotates freely. This study evaluates the behavior of a steel of AISI 1045 quality at impact and then compares it with the behavior of the same material, but with an external reinforcement called Siltex 800, following the guidelines of the ASTM E23 standard. Prior to the experimentation, factors that determine the behavior of the material with and without coating are analyzed, such as: test temperatures, thickness of the reinforcement, heating methods and cooling of the specimens. To carry out a comparative analysis, 70 rectangular specimens with a V notch were analyzed, the data of which are useful for the construction of the ductilefragile transition curve of the material. The data obtained are highly comparative because they are tested at the same conditions and temperatures, thus obtaining the effectiveness and behavior of the reinforcement. KEYWORDS: Impact test, Resilience, External reinforcement, behavior of the material. INTRODUCCIÓN

Es conocido que la velocidad aplicación de la carga es un parámetro determinante en la respuesta mecánica de los materiales, efectivamente, si un material que bajó carga estática o que aumentan lentamente puede tener un comportamiento dúctil, al estar sometido a cargas o impactos que se aplican de una manera muy rápida puede presentar sin embargo un comportamiento frágil es decir puede cambiar completamente su comportamiento frente a las cargas.

Para evaluar este comportamiento se han desarrollado diversos métodos de caracterización, que en general consisten en impactar una determinada probeta mediante un mazo y calcular la energía absorbida durante la fractura. Un nivel de energía absorbido elevado indica que el material tiene elevada resiliencia (Que absorbe mucha energía) y un nivel de energía absorbido bajo indica que tiene poca resiliencia, que rompe de manera frágil. Las condiciones del ensayo son de manera que la deformación ocurre a temperaturas bajas, la velocidad de deformación es elevada y se produce un estado triaxial de tensiones debido a la entalla. Estas tres condiciones favorecen la fractura frágil del material es decir estamos poniendo material en las condiciones de mayor fragilización. Los resultados obtenidos son altamente a nivel cualitativo o de interés comparativo es decir dos materiales ensayados mediante el mismo método a la misma temperatura y entalla podremos comparar directamente su tenacidad y resiliencia. Además la resiliencia depende grandemente de la temperatura, en general disminuye cuando disminuye la temperatura y además está muy influenciada por el tipo de material. Cómo observamos en la gráfica para materiales metálicos dependiendo de la estructura cristalina podemos observar que en todos ellos hay una bajada de la resiliencia con la temperatura pero además en aquellos que tienen estructura cúbica centrada en el cuerpo hay una temperatura o un rango de temperaturas en la cual se produce una bajada muy importante. Esa temperatura o rango temperaturas se llama temperatura de transición dúctil frágil ya que por encima de esa temperatura el material absorbe mucha energía es dúctil, mientras que por debajo de esa temperatura el material absorbe muy poca energía es frágil. Luego de la realización de los distintos ensayos se pudo obtener una serie de datos, se ensayó tres probetas a un mismo nivel de temperatura para poder tener una medida real de la energía absorbida, luego de esto se procederá a realizar un análisis para ver qué tan eficiente es el recubrimiento y si se recomienda utilizarlo o no, esto se podrá llevar cabo ya que también se

analizaran probetas del mismo material pero sin recubrimientos y a la misma temperatura que los anteriores análisis con recubrimiento.

Figura 2. Influencia de la estructura cristalina de materiales metálicos en la energía absorbida por el impacto. Fuente: Ensayo de rotura por impacto (UPV)

Este parámetro es de vital importancia en el diseño de estructuras o de componentes que puedan trabajar a diferentes temperaturas, claramente siempre buscaremos que la temperatura de transición dúctil frágil del material sea inferior a la temperatura de trabajo para que éste no tenga un comportamiento frágil. La temperatura de transición dúctil-frágil depende además de la microestructura y de la composición de la aleación. En general depende de la microestructura: cuanto menor sea el tamaño de grano más baja es la temperatura de transición dúctil frágil (por lo tanto más favorable) y con la composición pues depende del material y de la aleación.

Figura 3. Influencia de la composición del material en la energía absorbida por el impacto. Fuente: Ensayo de rotura por impacto (UPV)

Como por ejemplo observemos como para un acero, el contenido de manganeso influye

grandemente en la temperatura de transición dúctil-frágil, además vemos como conforme aumenta más el porcentaje de molibdeno contenido, la temperatura de transición dúctilfrágil pasa de temperaturas mucho más elevadas que el ambiente a temperaturas por debajo del ambiente. La influencia de la entalla la observamos claramente al representar unos puntos experimentales en los que se ve que el menor radio de fondo en talla implica una menor resiliencia es decir cuánto más agudo es el fondo de la entalla la resiliencia (la energía absorbida por el material) es menor es decir estamos favoreciendo la fragilidad del material.

Finalmente podemos decir que el ensayo de fractura por impacto en sí, nos permite caracterizar la resistencia de los materiales en condiciones extremas de fragilización es decir alta velocidad impacto, bajas temperaturas y presencia de entallas. Además esta propiedad viene influenciada en gran medida por la estructura cristalina, la composición y la microestructura de los materiales. METODOLOGÍA Varios parámetros de análisis previo, para el desarrollo de la investigación se los puede enumerar a continuación:    

 

Selección de la máquina Selección del material Selección del refuerzo Selección de método de enfriamiento Selección de método de calentamiento Selección de espesor de recubrimiento

Selección de la máquina Tipo de máquina: CHARPY II Capacidad de energía: 335.4 julios. Velocidad antes del impacto: 4.4 m/s

Figura 4. Influencia de la entalla en la energía absorbida por el impacto. Fuente: Ensayo de rotura por impacto (UPV)

Además el efecto de la velocidad de impacto también se ve experimentalmente, que cuando aumentamos la velocidad de impacto obtenemos una menor resiliencia es decir una menor energía absorbida por el material.

Maquinado de la probeta: Maquinado en fresa siguiendo las dimensiones establecidas en la norma ASTM E23 usando taladrina como refrigerante. Selección del material Considerando las condiciones dadas para su análisis tenemos dos opciones de materiales entre las cuales tenemos:  

Aceros Estructurales. Aceros de máquinas.

La elección del mismo tenemos: Material: Acero de calidad AISI 1045 Este acero seleccionado es de máquinas, entre las ventajas tenemos:  

Figura 5. Influencia de la velocidad en la energía absorbida por el impacto. Fuente: Ensayo de rotura por impacto (UPV)

  

Fácil adquisición y mecanización Presentación de sección en forma cuadrada Costo relativamente bajo Buena tenacidad Alta uniformidad y rendimiento

 

Puede utilizarse en condición de suministro o con tratamientos térmicos. Aplicable a partes relativamente simples de máquinas.

Entre sus principales usos debido a sus características de temple en general de resistencia media tenemos:        



Ejes y semiejes automotrices y de maquinaria. Cigüeñales Piñones Cuñas Tornillo y pernos Martillos Pasadores y remaches En general partes de maquinaria y herramientas agrícolas.



 

CARACTERÍSTICAS

Selección del método de enfriamiento.

Composición del acero

Entre las alternativas de enfriamiento se tienen principalmente:

Forma de suministro:

C:0.43-0.50% ; P:0.04% máx.; S:0.05% máx; Mn:0.60-0.90% Varillas o ejes

Límite de fluencia:

40 Kgf/mm

Resistencia a la tracción:

63-73 Kg/mm

Alargamiento porcentual: Reducción de área Dureza (HB)

16% 40% 163

2 2

Fuente: Catálogo BRAVO

Las condiciones dadas para la selección del refuerzo se enumeran a continuación: Resistencia a elevadas temperaturas. Refuerzo debe ser miscible con el material base.

Refuerzo: SILTEX 800 PROPIEDADES Naturaleza

CARACTERÍSTICAS

Color

Elastómeros y resinas sintéticas Gris, negro y blanco

Espesor Fillmseco

150-200 micras 1 capa

Rendimiento

5-7 m2/Kg

Tabla 2. Propiedades del poliuretano SILTEX 800 Fuente: Catálogo ROBERLO

 

En base a hielo seco. En base a nitrógeno líquido.

Donde el método más factible para el enfriamiento es: HIELO SECO. Entre sus principales características de selección tenemos:   

Selección del refuerzo



Producto para recubrimientos de los baldes de las camionetas, un producto para resistencia a impactos. Método de aplicación relativamente sencillo el cual nos permite un recubrimiento eficaz en todas las partes de nuestra probeta. Producto con gran resistencia a altas y bajas temperaturas. Costo relativamente bajo de 80$ por litro

PROPIEDADES

Tabla 1. Propiedades del acero de calidad AISI 1045



Este refuerzo es un poliuretano protector anti gravilla HS Premium de altas prestaciones para aplicación en partes visibles y no visibles de las carrocerías que exijan reproducir el nivel de calidad de una aplicación original, entre sus principales características de selección tenemos:

Capacidad de enfriamiento de hasta -78°C Costo relativamente bajo de 5$ por Kilogramo. Procedimiento de aplicación sencillo.

Para la aplicación del mismo se pretende realizarse en un sistema aislado para evitar transferencia de calor con el medio, así como la utilización de alcohol el cual posee una temperatura de congelamiento de -114°C, el cual nos permite evitar el congelamiento del fluido en donde se encuentra inmersa la probeta de análisis. La temperatura del acero será censada mediante un sensor térmico y mostrada en el exterior del sistema. Para el control de temperatura y la homogenización del ambiente se utiliza dos ventiladores de tipo axial ubicados estratégicamente al interior del sistema.

Selección del método de calentamiento.

RESULTADOS

Para el calentamiento se empleará un horno de la marca “OSTER” con la ventaja de poder obtener elevadas temperaturas de hasta 250°C. El mismo posee una perilla graduada para el control de la temperatura. Y se estima un lapso de 5 minutos para llegar y mantener la temperatura requerida.

Rango de temperatura de análisis

Entre las principales características del horno tenemos:

Resiliencia





Control de temperatura completamente ajustable de 90°C a 230°C (194°F a 450°F) para una amplia variedad de usos. Cronómetro incorporado de hasta 30 minutos.

Una característica desfavorable en el uso del mismo es que la temperatura es regulable a partir de los 90°C, por lo cual con ayuda de un Pirómetro se pretende el censado de temperaturas más bajas a éstas y superiores a las del medio.

En base a la resistencia del refuerzo aplicado sin observarse cambios en la estructura del mismo se establece:  Temperatura mínima de -25 °C Temperatura máxima de 150.87 °C Sabemos que la resiliencia es la medida de la resistencia del material al impacto por lo tanto:

Figura 6. Esquema de las probetas Fuente: Ensayo de rotura por impacto (UPV)

Entonces:

(1)

í

Selección del espesor del refuerzo

=

Entre las condiciones de aplicación del refuerzo tenemos:

Espesor del refuerzo de análisis

 



Refuerzo uniforme y total de la probeta. Las dimensiones de la probeta con el refuerzo deben ser exactamente las mismas que sin el refuerzo, para poder efectuar un análisis comparativo. El refuerzo debe estar completamente adherido al material base.

Además sabiendo que el espesor del refuerzo a aplicarse juega un papel preponderante en el aumento o disminución de la cantidad de energía absorbida por el material se establece los siguientes espesores de análisis: 

   

Espesor de 0.25 mm Espesor de 0.5 mm Espesor de 0.75 mm Espesor de 1 mm Espesor de 1.25 mm

Los cuáles serán analizados mediante comparación directa con el material sin refuerzo, encontrando así el espesor más adecuado.

Á ( )

Considerando cinco probetas con distintos espesores de refuerzo y una sin refuerzo se tiene:

Figura 7. Dimensiones de las probetas Elaborado por: AUTORES

# Espesor (mm)

Dimensiones (mm) a

b

c

L

1 0.00

8.10

10.00

10.00

55.20

2 0.25

8.54

10.77

10.69

55.84

3 0.50

8.34

9.63

10.08

56.26

4 0.75

8.50

10.40

10.25

55.92

5 1.00

8.00

10.07

10.14

56.74

6 1.25

8.83

10.33

9.82

57.07

Tabla 3. Dimensiones de probetas de ensayo para determinación del espesor del refuerzo Elaborado por: AUTORES

Ejecutando las respectivas pruebas para su comparación se tiene: # Energía de Impacto (J) 1 5 2 7 3 5 4 5 5 8 6 8

Energía de Impacto (kgf-cm) 50.986 71.38 50.986 50.986 81.577 81.577

Área de Impacto 2 (cm )

Resiliencia (kgf/cm)

0.81 0.919 0.803 0.884 0.805 0.912

62.945 77.608 63.483 57.676 101.263 89.435

Tabla 4. Resultados obtenidos para determinación del espesor del refuerzo.

(kgf/cm)

Elaborado por: AUTORES 120.000 100.000

REsiliencia

80.000 60.000

20.000

40.000

0.000 0

0.25 0.5 0.75

1

1.25

Espesor de Refuerzo (mm) Figura 8. Energía absorbida (Resiliencia) en función al espesor del refuerzo. Elaborado por: AUTORES

Si observamos el comportamiento de la energía absorbida (resiliencia) por el material en función al espesor del refuerzo, se tiene que el mayor incremento se da en el espesor de 1mm, generando un aumento de 38.32 Kgf/cm

Ahora bien se selecciona este espesor de refuerzo para las pruebas finales a realizar. Además se presenta las siguientes ventajas: 



El material de suministro se lo encuentra a dichas dimensiones abaratando los costos de producción. El tiempo de aplicación del refuerzo hasta alcanzar el espesor mínimo se reduce considerablemente.

Análisis de probetas sin refuerzo Entre los análisis a realizarse, se tiene el comportamiento del material seleccionado a distintas temperaturas, para lo cual se

selecciona nueve probetas en base a la norma ASTM E23 con un entalle en tipo V. Estas probetas son mecanizadas en Fresadora usando taladrina como refrigerante, además el material de suministro fue en varilla cuadrada de 10 x 10 mm, abaratando costos de producción. En la siguiente tabla podemos observar las dimensiones de las probetas sin recubrimiento que serán analizados a distintas temperaturas. DIMENSIONES SIN RECUBRIMIENTO

N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

espesor (mm) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

altura (mm) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

muesca (mm) 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

Tabla 5. Dimensiones de probetas de ensayo sin refuerzo. Elaborado por: AUTORES

Ejecutando las pruebas en el péndulo Charpy y sacando un valor promedio de las tres medidas para cada temperatura se tiene:

PROMEDIO PROBETAS SIN RECUBRIMIENTO

TEMP °C -25 -20.00 -10.00 -3.27 20.00 50.33 74.53 99.27 126.07 148.30

E de Impacto (kgf*cm) 94.324 57.784 81.577 81.577 101.972 146.159 200.544 203.943 163.154 173.352

Resiliecia (kgf/cm) 117.905 72.230 101.972 101.972 125.904 176.341 257.250 249.759 200.661 212.428

Tabla 6. Resultados obtenidos para la construcción de la curva de resiliencia en función a la temperatura del material sin refuerzo. Elaborado por: AUTORES

Figura 9. Comportamiento del acero AISI 1045 sin refuerzo en función a la temperatura. Elaborado por: AUTORES

En la figura 9 observamos como el material varía su comportamiento de dúctil a frágil a medida que su temperatura disminuye. Teniendo una estabilización y mayor resiliencia a partir de los 75°C hasta 100°C.

Ahora bien, como el objetivo de la presente investigación es evaluar la eficiencia del refuerzo seleccionado en este caso: el poliuretano Siltex 800. Se realiza el ensayo de 29 probetas totales las cuales están recubiertas y serán puestas a las mismas temperaturas con el fin de obtener los datos de energía absorbida y poder cuantificar la eficiencia del recubrimiento:

N-° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

PROBETAS CON RECUBRIMIENTO ALTO ANCHO A/S MUESCA A B H 9.97 9.97 8.52 9.97 9.97 8.21 9.97 9.93 8.18 9.96 9.96 8.14 9.96 9.97 8.34 9.95 9.95 8.23 9.97 9.96 8.4 9.97 9.93 8 9.96 9.97 8.31 9.97 9.98 8.17 9.96 9.96 8.3 10.05 9.9 7.93 10.3 9.97 7.98 10.05 10.2 7.97 10 10 8 10 10 8 9.9 10 8.05 9.95 10 7.95 10.15 10.17 8.2 10.31 10.21 8.41 9.95 10.09 8.04 10.15 10.06 8.14 10.31 9.96 8.07 10.14 9.95 8 10.17 10.19 8.22 10.07 9.92 8.02 10.12 10.05 8.09 10.13 10.46 8.05 10.11 10.07 7.91

Tabla 7. Dimensiones de probetas de ensayo con refuerzo. Elaborado por: AUTORES

Ejecutando los ensayos a las mismas temperaturas y en las mismas condiciones, y posteriormente sacando un valor promedio para cada intervalo de temperatura, se tiene: PROMEDIO PROBETAS CON RECUBRIMIENTO

TEMP °C -25 -20 -10 -3.27 24.40

E de Impacto (kgf*cm) 96.873 64.582 61.183 93.474 163.155

Resiliecia (kgf/cm) 115.856 79.063 75.642 113.631 204.438

49.37 76.57 102.80 124.03 150.87

129.164 203.943 231.136 227.737 212.441

161.033 246.200 284.991 281.266 260.145

Tabla 8. Resultados obtenidos para la construcción de la curva de resiliencia en función a la temperatura del material con refuerzo.

completamente efectivo logrando incrementos en su resiliencia de hasta de 80.605 Kgf-cm. Ahora bien, es apreciable su temperatura de transición dúctil-frágil, la cual se encuentra en el intervalo de 0°C a 90°C, a partir de esta temperatura se observa una estabilización ascendente casi completa de su resiliencia hasta los 124.03.

Elaborado por: AUTORES

Figura 11. Comportamiento de la resiliencia en función a la temperatura con recubrimiento (CR) y sin recubrimiento (SR) Figura 10. Comportamiento del acero AISI 1045 con refuerzo en función a la temperatura. Elaborado por: AUTORES

En la cual efectivamente observamos un incremento, así como una disminución de la resiliencia. Temperatura °C -25 -20 -10 -3.27 24.40 49.37 76.57 102.80 124.03 150.87

Incremento o disminución (Kgf/cm).

-2.049 6.834 26.330 11.660 78.534 -15.308 -11.051 35.232 80.605 47.717

Tabla 8. Aumento (+) o disminución (-) de la resiliencia en función a la temperatura. Elaborado por: AUTORES

Si analizamos el comportamiento del refuerzo aplicado evidenciamos como éste deja de ser efectivo a temperaturas bajas obteniendo disminuciones de hasta -15.308 Kgf-cm a 49°C y -2.049 Kgf-cm en -25°C, pero a su vez conforme sube la temperatura el refuerzo es

Elaborado por: AUTORES

CONCLUSIONES El método experimental aplicado en el análisis de la efectividad del poliuretano “protector anti gravilla” utilizado como refuerzo en probetas mecanizadas bajo la norma ASTM E23 con entalle en V, con un espesor de aplicación de 1 mm indica un aumento de su resiliencia en un promedio de 25.850 Kgf/cm. Y a una temperatura de 124.03 °C tenemos un aumento de 80.605 Kgf/cm, siendo esta una excelente opción para el incremento de su resiliencia cuando se desee trabajar a altas temperaturas y cuando los requerimientos no sean exigentes debido a su fácil aplicación, excelentes acabados superficiales y al ser aplicable en la mayoría de superficies sin resultados adversos como falta de adhesión, sin embargo se observa que el mismo no es competitivo cuando se tenga temperaturas de trabajo por debajo de los 0°C, subiendo su rendimiento también a temperatura ambiente de 24.4 °C que presenta un aumento de 78.534 Kgf/cm siendo excelente cuando se tenga temperaturas de trabajo iguales a la del ambiente. Se puede también observar que para temperaturas de 40 a 85 °C su resiliencia baja

por lo que no se aconseja utilizar este recubrimiento en ese rango de temperaturas. BIBLIOGRAFÍA [1] ASTM E23 (2007) Standard Test Methods

for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials.

[2] Aceros BRAVO (25/06/2018) Aceros al Carbono, Suministro laminado y trefilado. Recuperado de: http://www.acerosbravo.cl/imgmodulo/Image n/112.pdf ROBERLO (25/06/2018) Siltex 800, Protector antigravilla HS premium. Recuperado de: http://es.roberlo.com/carroceria/productoscomplementarios/protectores-yselladores/siltex-800/ [3]

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[6] Rubio I., Yuquilema B. (23/06/2018) Diseño, Construcción e Implementación de un Sistema de Elevación y Frenado del Péndulo Charpy. Recuperado de: http://dspace.espoch.edu.ec/handle/1234567 89/2339 [7] Viracocha C., Lasluisa E. (23/06/2018) Diseño y construcción de una máquina de ensayo de impacto Charpy, para el laboratorio de electromecánica de la universidad técnica de Cotopaxi en el periodo 2014. Recuperado de: http://repositorio.utc.edu.ec/handle/27000/1 867

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