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LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALESENSAYO DE IMPACTO – MÉTODO DE CHARPY
PRESENTADO POR:
JOSE LUIS ARAUJO
MIGUEL ANGEL PULIDO
AYLIN SAN JOSE CASTILLO
GUSTAVO QUINTERO
PRESENTADO A:
JOSÉ LUIS AHUMADA VILLAFAÑE
CORPORACION UNIVERSITARIA DE LA COSTA CUCFACULTAD DE INGENIERIA.
BARRANQUILLA – COLOMBIA2012
CONTENIDO.
1. INTRODUCCIÓN
2. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
3. MARCO TEÓRICO
4. DESARROLLO EXPERIMENTAL (MATERIALES UTILIZADOS)
5. CÁLCULO, ANÁLISIS DE RESULTADOS (PREGUNTAS)
6. CONCLUSIÓN
7. BIBLIOGRAFÍA
1. INTRODUCCIÓN.
La resistencia de materiales es la ciencia que desarrolla la relación entre las
fuerzas externas aplicadas a un cuerpo deformable y las fuerzas internas
producto de esas fuerzas externas o como dice wikipedia: “La resistencia de un
elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas
aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de
algún modo.”
En Laboratorio de Resistencia de Materiales se llevarán a la práctica los
conocimientos que se vayan adquiriendo a lo largo del curso, como también
desarrollaremos muchas experiencias, una de estas es el ensayo de impacto
por el método de Charpy, que consiste en someter una probeta de diferentes
materiales y en forma de paralelepípedo a una fuerza de impacto producida por
un pesado péndulo que se deja caer a una altura determinada, este ensayo se
realiza con la finalidad de obtener la energía disipada o absorbida, para
determinar la ductilidad o fragilidad de los diferentes materiales.
Lo dicho en el párrafo anterior es lo que se podrá encontrar dentro de este
trabajo, cabe destacar también que como se trabajará con diferentes materiales
por lo que se obtendrán diferentes , y por ende distintos resultados, y son
estos resultados los que nos permitirán sacar conclusiones sobre lo realizado
en el laboratorio.
2. OBJETIVOS.
OBJETIVO GENERAL:
Familiarizar al estudiante con el proceso que se lleva a cabo dentro de la
máquina de impacto, más específicamente con el método de Charpy.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Reconocer los elementos necesarios que se requieren para llevar a cabo
con éxito este ensayo.
Hacer el mismo ensayo con los diferentes materiales que podemos
encontrar dentro del laboratorio.
Sacar conclusiones de acuerdo a las diferentes que se
obtendrán con los diferentes materiales.
Tener una mejor idea del contenido de esta materia, importante para la
formación de un Ingeniero Civil
3. MARCO TEÓRICO.
Los ensayos dinámicos son realizados para valorar la capacidad de resistencia
de los materiales a las cargas de impacto (tenacidad) y determinar su
tendencia a la destrucción frágil.
Entre los ensayos de esta índole los más conocidos y estandarizados son los
de impacto a flexión con muestras ranuradas. La velocidad de deformación en
el caso de los ensayos dinámicos supera en varios órdenes a la velocidad de
deformación en los ensayos estáticos.
GENERALIDADES
Los impactos de ensayo a flexión son realizados con la ayuda del péndulo de
Charpy, con una energía que sobrepasa los 30 kgf×cm. El esquema de ensayo
se muestra en la figura.
Esquema de trabajo del péndulo de Charpy
La muestra se coloca horizontalmente en un patrón especial que garantiza es-
trictamente la posición de la incisión (ranura, entalla) en la parte media del vano
entre los apoyos. El impacto es aplicado desde el lado opuesto a la incisión, en
el plano perpendicular al eje longitudinal de la muestra. El péndulo se fija en la
posición superior inicial a la altura ha de 1,6 m, lo que corresponde a una
velocidad del cuchillo del péndulo, en el momento del impacto de 5,6 m/s.
Luego la uña de fijación se retira, el péndulo cae libremente por efecto de su
propia gravedad aplicando un impacto a la muestra, que la encorva y destruye
elevándose en relación al eje vertical del péndulo Charpy en un ángulo b. Este
ángulo es tanto menor, cuanto mayor es la energía aplicada en el proceso por
el péndulo para la deformación y destrucción de la muestra.
Por medio de la escala, se mide el ángulo de elevación del péndulo y
directamente se lee la energía consumida en el proceso (la escala del indicador
esta graduada en kilopondios por metro kp×m).
Una parte de la energía del impacto es empleada en la sacudida del péndulo y
del bastidor, para vencer la resistencia del aire, en el roce de los cojinetes y del
dispositivo de medición, en la deformación de la muestra cerca de los apoyos y
bajo el cuchillo, en la transmisión de energía a las fracciones de la muestra y
en la deformación elástica de la barra del péndulo.
La influencia de estos factores, que hacen variar las mediciones hasta en un
30% de un péndulo a otro pueden ser minimizadas restando la influencia de los
factores cuantificables o medibles. En otras palabras, se aconseja restar de la
energía mostrada por el indicador Ei la energía imprimida a las fracciones de
probeta en forma de energía cinética Ek (este dato puede calculado
aproximadamente), y la energía disipada por fricciones Ef (ésta puede ser
medida experimentalmente). De esta manera, la energía aproximada, usada
sólo para la destrucción de la probeta Er , será:
Ef , energía disipada por fricciones, debe ser medida antes de cada ensayo,
para esto se deja caer libremente el péndulo, sin instalar probeta en los
apoyos, y se anota la energía mostrada por el indicador.
Ek , energía cinética necesaria para el desplazamiento de las fracciones de
probeta luego de la rotura, puede ser calculada:
Donde m es la masa de la probeta y v es la velocidad de las fracciones, que se
asume igual al velocidad del péndulo en el momento del impacto (v =5,6 m/s).
El estándar ASTM E23-72 define el ensayo de barras ranuradas al impacto
como un ensayo por el cual se observa el comportamiento del metal cuando
está sujeto a la aplicación de una carga única que genera un estado de
esfuerzos multiaxial asociado a la ranura, en conjunto con altas ratas de carga
y en algunos casos altas o bajas temperaturas.
FACTORES QUE INFLUYEN EN LOS RESULTADOS
En este ensayo se destacan tres factores que determinan el modo de fractura
de las probetas que se van a ensayar, ellos son la velocidad de aplicación de la
carga, el radio de la entalla y la influencia de la temperatura
Velocidad de aplicación de la carga
El modo de fractura depende de la formación y propagación de la grieta y esta
a su vez depende de la energía que absorba el material. A mayor energía
potencial mayor velocidad de impacto alcanzara el péndulo y mayor energía
cinética tendrá al impactar la probeta.
El radio de la entalla
La marca que se realiza a la probeta se hace con el fin de facilitar la falla.
Alrededor del entalle se generan zonas críticas de concentración de esfuerzos,
los que las convierte en puntos frágiles y en el que los esfuerzos serán
mayores
Influencia de la temperatura
Ante fuerza de impacto adquieren un comportamiento especifico dependiendo
de su temperatura, altas temperaturas se tornan dúctiles y de baja resistencia
mecánica y a bajas temperaturas adquieren un comportamiento frágil, la
temperatura a la cual el material pasa de absorber mucha energía a absorber
poca se llama energía de transición y sirva para estimar la idoneidad de los
materiales para ciertas aplicaciones.
La temperatura de transición depende de factores como la composición, la
microestructura, el tamaño del grano, el acabado superficial y la velocidad de
deformación.
MODELOS MATEMATICOS
Para calcular la energía absorbida y l resilencia de las probetas.
H1 =R (1+ Sen (α1-90))
H2 =R (1- Cos (α2)
Donde:
H1= Altura del péndulo.
H2= Altura final del péndulo, después del impacto
R= Brazo del péndulo, 39cm
α1= 161°
α2= Ángulo después del impacto.
Et= m*g*(H1-H2)
Donde
m: Masa del péndulo(kg) 2,5kg
g: aceleración de la gravedad
Et: energía total en julios
Energía Absorbida (Ea) = Et – Ef
Donde
Ef = energía de frotamiento
Energia de Impacto
Ei = Eas
Donde
E= Energia de impacto
S= area de corte de sección transversal
4. DESARROLLO EXPERIMENTAL.
Se sitúa el péndulo hasta la posición más elevada de la maquina y se fija con
un gancho de seguridad, posteriormente se confirma que el dial marque un
ángulo de 0° y una energía de 0 julio, cuando el sistema esté listo se procede a
soltar el tornillo para liberar el péndulo y que este inicie su oscilación,
finalmente cuando el péndulo alcance la altura final, es decir una oscilación
completa, se toman las lecturas del ángulo y la energía final directamente del
dial.
Se repite el procedimiento anterior
con las probetas de las distintos
materiales (acero, bronce,
aluminio, cobre y de madera roble
con las vetas horizontales y
verticales), en la base de la
maquina, con el entalle del lado
opuesto al del impacto al final se
tendrán los datos correspondientes
a los ángulos de frotamiento y de impacto y la energía de frotamiento e
impacto, y se procede a realizar los cálculos.
5. CÁLCULOS, ANÁLISIS DE RESULTADOS (PREGUNTAS).
H1= R*(1+Sen(α 1−90¿¿ H2= R*(1-Cos(α 2¿¿ Et= m*g*(H1-H2)
Para calcular la energía absorbida se utiliza (Ea) = Et – Ef
MADERA ROBLE.
largo Ancho alto ∝ EF
1 5 cm 6 mm 6 mm 136° 1,9 j
2 5 cm 6 mm 6 mm 135° 1,8 j
3 5 cm 6 mm 6 mm 136° 1,9 j
4 5 cm 6 mm 6 mm 179° 0,7 j
5 5 cm 6 mm 6 mm 179° 0,7 j
6 5 cm 6 mm 6 mm 179° 0,7 j
Frotamiento = 161º, 0,6 j
ALUMINIO → S = 0,3 Cm2
METALES ∝ Ef. FRACTURAALUMINIO 75º 9,50 J DUCTIL
BRONCE 85º 8,0 J FRAGIL
ACERO 11º 14,85J DUCTIL
COBRE 86º 8,0 J DUCTIL
H1= R*[1+Sen(∝1−90 º¿¿H1= 0, 39 m * [1 + Sen (161º - 90º)]
H1 = 0.76 m
H2= R * [1- Cos (∝2¿¿H2= 0, 39 m * [1 – Cos 75º]
H2= 0.29 m
Et = 2.5 Kg * 9.8 mS2
* (0.76m – 0.29m)
Et = 11,51 Joule
Ea = 11,51 – 0,6 JouleEa = 10,91 Joule
Ei = 10,91Joules0,3cm2
Ei= 36.36 Joulescm2
V= √2∗9.8ms2∗0.76mV= 3.86ms
f= 2*2,5 Kg* 9.8ms2
f= 49 N
BRONCE → S = 3mm Cm2
H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°]H1= 0.76m
H2= 0, 39 m * [1-cos 85º]H2= 0,35m
Et= 2,5Kg * 9.8ms2
(0,76m-0,35m)
Et = 10,04 Joule
Ea= 10,04 – 0,6 JEa= 9,44 Joule
Ei= 9.440.3cm2
Ei= 31,46 Joulescm2
V= 3,86 ms
f= 49N
ACERO → S = 0.1 Cm2
H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0.76m
H2= 0, 39 m * [1-cos 11º]H2= 7,1x10−3m
Et= 2.5Kg * 9.8ms2
(0.76m-7,1x10−3m)
Et = 18.55 Joules
Ea= 18,55 – 0,6Ea= 17,95 Joules
Ei= 17,950.4cm2
Ei= 44,87 Joulescm2
V= 3.86 ms
f= 49N
COBRE → S = 0,3 Cm2
H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m
H2= 0, 39 m * [1-cos 86°]H2= 0,36m
Et= 2.5Kg * 9.8ms2
(0,76m-0,36m)
Et = 9,8 Joules
Ea= 9,8 – 0,6Ea= 9,2 Joules
Ei= 9,2J0.3cm2
Ei = 30,6 Joulescm2
V= 3.86 ms
f= 49N
De esta forma, ya habiendo realizado los modelos matemáticos de las probetas
metálicas, ahora procederemos a realizar los modelos matemáticos de las
probetas de madera. A nuestro equipo de trabajo le fue asignado trabajar con
probetas de madera roble.
PROBETA ·#1 VETAS VERTICALES
H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m
H2= 0, 39 m * [1-cos 136º]H2= 0,67 m
Et= 2.5Kg * 9.8ms2
(0.76m-0,67m)
Et= 2,20 Joules
Ea= 2,20 – 0,6
Ea= 1,6 Joules
V= 3,86 ms
f= 49N
PROBETA ·#2 VETAS VERTICALES
H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m
H2= 0, 39 m * [1-cos 135º]H2= 0,66m
Et= 2.5Kg * 9.8ms2
(0,76m-0,66m)
Et= 2,45 Joules
Ea= 2,45 – 0,6Ea= 1,85 Joules
V= 3,86 ms
f= 49N
PROBETA ·#3 VETAS VERTICALES
H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m
H2= 0, 39 m * [1-cos 136º]H2= 0,67
Et= 2.5Kg * 9.8ms2
(0.76m-0,67m)
Et= 2,20 Joules
Ea= 2,20 – 0,6
Ea= 1,6 Joules
V= 3,86 ms
f= 49N
PROBETA ·#4 VETAS HORIZONTALES
H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m
H2= 0, 39 m * [1-cos 149º]H2= 0,72m
Et= 2.5Kg * 9.8ms2
(0,76m-0,72m)
Et= 0,7Joules
Ea= 0,7– 0,6Ea= 0,1 Joules
V= 3,86 ms
f= 49N
PROBETA ·#5 VETAS HORIZONTALES
H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m
H2= 0, 39 m * [1-cos 149º]H2= 0,72m
Et= 2.5Kg * 9.8ms2
(0,76m-0,72m)
Et= 0,7Joules
Ea= 0,7– 0,6Ea= 0,1 Joules
V= 3,86 ms
f= 49N
PROBETA ·#6 VETAS HORIZONTALES
H1= 0,39 m * [1 + sen 161º - 90°] H1= 0,76m
H2= 0, 39 m * [1-cos 149º]H2= 0,72m
Et= 2.5Kg * 9.8ms2
(0,76m-0,72m)
Et= 0,7Joules
Ea= 0,7– 0,6Ea= 0,1 Joules
V= 3,86 ms
f= 49N
1. ¿Tiene algo que ver la temperatura con el resultado del ensayo?
Si ya que los materiales a las fuerza de impacto adquieren un comportamiento
especifico dependiendo de su temperatura, altas temperaturas se tornan
dúctiles y de baja resistencia mecánica y a bajas temperaturas adquieren un
comportamiento frágil, la temperatura a la cual el material pasa de absorber
mucha energía a absorber poca se llama energía de transición y sirva para
estimar la idoneidad de los materiales para ciertas aplicaciones.
2. ¿Qué forma obtuvo la probeta después del ensayo?
Esta es la forma que obtuvo la
probeta de aluminio, y acero dejando
claro que es un material dúctil, al no
romperse
Este es la forma de la probeta de cobre.
Esta es la forma de las probetas de
madera roble con las vetas verticales, y
con las vetas horizontales se rompieron
Esta es la forma de la probeta
de bronce que a diferencia de los
anteriores metales este es de
falla frágil, al romperse al impacto
3. ¿Hay alguna diferencia entre la energía absorbida por la probeta de madera de vetas horizontales con las verticales?
La diferencia que hay es que la probeta con las vetas verticales tiene la
capacidad de absorber la mayor cantidad de energía que las probetas
con vetas horizontales.
4. ¿Cuál de los materiales es el más dúctil y cuál es el más frágil?
En el ensayo se observo con claridad que los metales como aluminio,
cobre y acero son materiales dúctil, sin embargo se destaca el acero por
haber presentado mayor energía absorbida de (Ea= 17,95 Joules), siendo
este el más dúctil; por el contrario el bronce y la madera con vetas
horizontales se rompieron en el impacto siendo estos materiales frágiles,
donde la madera es la más frágil con un promedio de Ea= 0,1 Joules.
6. CONCLUSIÓN.
Luego de todo lo realizado para el desarrollo de esta experiencia se puede
calificar como satisfactoria, debido a que gracias a la investigación, a la lectura,
al análisis y sobre todo a lo realizado dentro del laboratorio se logró tener un
mayor conocimiento sobre lo que trata en sí el ensayo de impacto de
materiales (cobre, acero, hierro, plata, etc.) utilizando el péndulo de Charpy y
sobre el comportamiento que tiene los diferentes tipos de materiales sometidos
a acciones dinámicas; sin olvidar claro está que ya se conoce el proceso de
laboratorio y los cálculos que se llevaron a cabo para obtener los resultados.
7. BIBLIOGRAFÍA.
Ahumada, José Luis; “Caracterización de Materiales de uso en
Ingeniería”, Educosta, 2009.
William D. Callister, Jr.; “Introducción a la ciencia e ingeniería de los
materiales”, Reverté, 1995.
Shakelford, J.F.; “Intoducción a la ciencia de materiales para ingenieros”,
Pearson Prentice Hall, 2005.