Ensayo de Resiliencia PDF

Preview

Summary

ensayo...

Description

Ingeniería de materiales Resiliencia

ENSAYO DE RESILIENCIA Es común asociar la resistencia de los materiales, a los resultados obtenidos en los ensayos de tracción. Sin embargo, existen otros ensayos destructivos igualmente importantes, que permiten evaluar la resistencia del material ante: Flexión, torsión, compresión y al impacto (o resiliencia). El ensayo Charpy permite calcular cuánta energía logra disipar una probeta al ser golpeada por un péndulo en caída libre El ensayo arroja valores en unidades de energía (Joules, Kgf-m, Lb-in. Entre otros), y éstos pueden diferir notablemente, en función de la temperatura El ensayo de impacto consiste en dejar caer un péndulo pesado, el cual a su paso golpea una probeta que tiene forma paralelepípeda ubicada en la base de la máquina. La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la fisura; este entalle recibe el nombre de V-Notch. Luego de golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura que depende de la cantidad de energía disipada al golpear.

Fractura frágil

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, la estructura interna y la composición química, lo cual obliga a realizar el ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una "temperatura de transición dúctil-frágil".

Deformación dúctil

Si este ensayo se lleva a un gráfico (Energía - temperatura) como el mostrado en la Figura, en donde se puede apreciar un fuerte cambio en la energía disipada para algunos aceros de bajo carbono. Mientras que el níquel no muestra una variación notable. En la figura pueden verse los resultados de pruebas de impacto para varios metales y aleaciones, medidos a través de un intervalo de temperatura Energía Metales FCC Metales BCC de baja resistencia, aceros bajo carbono etc. Aleaciones de alta resistencia

Los resultados no se comparan de forma directa con los obtenidos por la integración del área bajo la curva de esfuerzo-deformación por tensión (la que también nos permite determinar la energía absorbida), debido a la respuesta variable de los materiales a los efectos de la muesca. No obstante, los resultados de la prueba son útiles al comparar, para una composición dada, los efectos de la historia previa en la tenacidad. De interés particular a este respecto, es el efecto del tratamiento térmico en las propiedades del acero.

El sobrecalentamiento del acero menoscaba su tenacidad. Esto puede detectarse con facilidad mediante una prueba de impacto en la barra con muesca y por examen de la apariencia de la superficie fracturada. Temperatura Otra aplicación Energía pie -lb importante es el estudio de los efectos de los ciclos de revenido en 280 los aceros endurecidos. Esto puede detectarse con facilidad mediante una prueba de impacto en la barra con muesca y por examen de la 240 0.01 0.11 apariencia de la superficie fracturada. 200

Otra aplicación importante es el estudio de los efectos de los ciclos de revenido en los aceros endurecidos. Ciertos ciclos son dañinos a la tenacidad de algunos aceros. Otra aplicación es la determinación de las temperaturas de fragilización, en particular para las aleaciones ferrosas. Muchas composiciones de acero tienden a perder tenacidad conforme se aproxima a temperaturas más bajas del punto de congelación. Se ha reportado por ejemplo la fractura espontánea de vigas en puentes para ferrocarril en Siberia, cuando las temperaturas han llegado a ser sumamente bajas. La prueba de impacto en barra con muesca proporciona un medio para determinar los márgenes de fragilización para composiciones diferentes.

160 0.22

120 0.31

0.43

80 0.53

40 0.67

-300 -200 -100

0 100 200 300 400 500 Temperatura °F

Efecto del contenido de carbono en la resiliencia Oros

Ingeniería de materiales Resiliencia

Para las pruebas de impacto se utilizan probetas con muesca cargados como vigas. Las vigas pueden cargarse en forma simple (prueba Charpy) o cargarse como cantilevers (prueba Izod). La muesca por lo común es una muesca de forma V cortada según norma, con un cortador de fresa especial. Se han usado otros tipos de muesca con escasa aceptación. Las probetas para la prueba de impacto se preparan tal como se ilustra en la siguiente figura (la muesca en V es más fácil de realizar). 0.25 mm (0,010”) R 10 mm (0.394”)

55 mm (2.165”)

8 mm (0.315”) 10 mm (0.394”)

45°

Muesca en V tipo Charpy 2 mm 10 mm (0.394” 55 mm (2.165”)

5 mm 2 mm 3 mm 10 mm (0.394”)

1.6 mm

1" 6

Corresponde aproximadamente al corte de la segueta.

Muesca ojo de Cerradura tipo Charpy

Fundamento teórico: La determinación de la energía absorbida por el material de la probeta, está sustentada en el siguiente análisis: Eabs = Ep1 – Ep2 . ...................Ec 1 Donde: Eabs = Energía absorbida Ep1 = Energía potencial que posee el péndulo al inicio de la prueba Ep2 = Energía potencial que posee el péndulo después del impacto

E p1

Ek1= 0 Ep1= mg

l0 w µ

Energía al comenzar el ensayo

β h1

α E p2 h2

Punto de impacto

Ep0

Oros

Ingeniería de materiales Resiliencia

Ep1 = mgh1 = wh1 Ep2 = mgh2 = wh2

.....................Ec 2 ....................Ec 3

h1 = l0 + l0 Senβ

...........…..….Ec 4

h1 = l0 (1 + Sen β ) Después del impacto Para α < 90°

h2 = l 0 − l0 Cosα h2 = l 0 (1 − Cosα )

.......................Ec 5

Para α > 90°

h2 = l0 + [l0 ( Senµ )] como : Senµ = −Cosα h2 = l0 + [l0 ( − Cosα ) ] h2 = l0 (1− Cosα ) .........................Ec 6 Por lo tanto la energía absorbida se puede expresar en función de dos condiciones:

a) Para α < 90° Sustituyendo las ecuaciones anteriores:

Eabs = w(h 1 − h 2 ) = w(l 0 (1+ Senβ ) − l 0 (1− Cos α )) Eabs = wl 0 (Sen β + Cos α ) b) Para α > 90° Sustituyendo las ecuaciones anteriores:

Eabs = w(h 1 − h 2 ) = w(l 0 (1+ Senβ ) − l 0 (1− Cos α )) Eabs = wl 0 (Sen β + Cos α ) Ejemplo:Se ensaya repetidamente una probeta hecha de acero AISI 1010, en una máquina de impacto. Determinar analíticamente la cantidad de energía que absorbe la probeta, y la altura final que alcanzará el péndulo, cuando el ángulo α, que describe su recorrido, para cada caso, es el que se muestra en la tabla. Temperatura

Ángulo final α (grados)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

39.4372 39.1871 38.9356 38.6828 38.1728 37.6571 37.6571 37.6519 37.6467 37.6467 37.6311 37.5792 37.5532 37.5532 37.5532

Altura final h2 (m)

Energía absorbida por el material de la probeta (Joules)

Generar la gráfica de energía contra temperatura. Nota: Para fines de este ejemplo, el peso del péndulo es de 15 kg, la longitud de su brazo es de 1.23 m, el ángulo (al iniciar el ensayo) siempre es de 45°

Oros...