ENSAYO DE FLEXIÓN POR IMPACTO

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Péndulo de Choque

Ensayo Charpy

Ensayo Izod

Características del Péndulo de Choque del Laboratorio de Ensayos de la EETP Nº466.

 

INTRODUCCIÓN

Si bien los ensayos estáticos de tracción permiten conocer la capacidad de resistencia y deformabilidad de un metal cuando se lo somete a un esfuerzo progresivo, aplicado lentamente, estas propiedades pueden variar según la naturaleza de las cargas y condiciones de trabajo a que se halle sometido.

Es por ello, que en muchos casos deben considerarse los factores que inciden en la destrucción de la pieza de acuerdo al empleo práctico del mecanismo o estructura a la que pertenece; ya veremos, por ejemplo, que si el metal soporta tensiones dinámicas sucesivas (fatiga) o estáticas a elevadas temperaturas (creep), la fractura se origina al disminuir su resistencia, en cambio en elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas, su falla se produce generalmente al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aún en aquellos metales considerados como dúctiles. En estos casos, es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto.

Siendo las solicitaciones de choque o impacto de aplicación prácticamente instantánea, las ondas de tensión generadas pueden no propagarse, provocando la rotura por deformaciones localizadas. Por lo expuesto, las propiedades mecánicas de los materiales sometidos a efectos dinámicos de choque se ven sensiblemente modificadas, aunque los mecanismos de deformación plástica presumiblemente no varían con el modo de aplicación de la carga.

Estos hechos nos dicen que, si bien el ensayo de tracción estático nos da valores correctos de la ductilidad de un metal, no resulta preciso para determinar su grado de tenacidad o fragilidad en condiciones variables de trabajo. Es por lo mismo que al calcular la Capacidad de Trabajo de Deformación, partiendo de un diagrama de tracción, aclaramos que su magnitud sólo es una medida comparativa y aproximada de la tenacidad y módulo de resiliencia del metal.

Los ensayos de choque determinan, pues, 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 nuevo concepto tampoco nos 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 muy en cuenta los distintos factores que producen el efecto fragilizante.

Otra aplicación del ensayo dinámico de choque es la de comprobar los distintos grados de revenido que pueden alcanzarse en los aceros, como también verificar el correcto recocido o forjado de los mismos, lo que muchas veces no es posible deducir de ensayos estáticos, pues dan valores similares hasta para aquellos mal tratados. En estos casos, el tratamiento defectuoso se pone de manifiesto en las pruebas de impacto sobre probetas entalladas, al obtener valores muy inferiores de su resiliencia.

Resumiendo, diremos que el objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una máquina o estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo, muy especialmente cuando las piezas experimentan concentración de tensiones por cambios bruscos de sección, maquinados incorrectos, bajas temperaturas, o bien verificar el correcto tratamiento térmico del material ensayado.

1- EFECTOS FRAGILIZANTES

La falla por fragilidad resulta, ocasionada por diversos factores que, actuando juntos o separadamente, modifican las características mecánicas de los metales.

De los muy variados estudios realizados pudo comprobarse que tres son las causales más importantes de aquellas variaciones: la variación en la velocidad de la deformación producida por la rapidez en la aplicación de la carga, la aparición de estados complejos de tensiones generados por el "efecto de forma", y las bajas temperaturas que disminuyen la tenacidad de los metales.

Teniendo en cuenta que los mecanismos de deformación se desarrollan en el tiempo, es evidente que una variación brusca de la carga aplicada puede demorar el inicio de la deformación plástica y, aún más, limitarla a valores inferiores a los observados en solicitaciones estáticas.

Sabemos que las entallas generan picos de tensión , el estado crítico no se alcanza de manera uniforme en la sección de impacto, produciendo fisuras que pueden propagarse rápidamente en toda la sección.

Por último, como experimentalmente comprobamos que los valores de trabajo o energía necesaria para producir la rotura varían con la temperatura, es necesario fijar lo que llamaremos temperatura de transición, es decir, aquella en ¡a cual el material cambia su capacidad de deformación (dúctil a frágil).

1-1) VELOCIDAD DE DEFORMACIONES

Las cargas descriptas, de variación brusca, no podrán ser analizadas de la misma manera que en los ensayos estáticos, sino como ondas de tensión que, al propagarse en el volumen de la probeta, generan deformaciones por los mismos mecanismos que en solicitaciones estáticas, pero su propagación y acumulación serán función de la velocidad de variación de la amplitud de tensión.

El análisis teórico del proceso exige evaluar el fenómeno de propagación de ondas, la relación - y el mecanismo de generación y ampliación, de las grietas de deformación.

Desde el punto de vista experimental, la Fig. 1 confirma el retraso en la aparición de las deformaciones plásticas, el aumento de la resistencia y de la energía absorbida con el aumento de la velocidad de deformación.

Figura 1

Existe una velocidad de transición en el comportamiento de los metales (velocidad crítica de rotura), superada la cual la rotura se produce por deformaciones localizadas próximas a la zona de impacto y para deformaciones totales considerablemente inferiores a las de velocidades menores que la crítica (efecto fragilizante).

Los valores obtenidos de la velocidad crítica de rotura para distintos metales oscilan entre 50 y 150 m/s para el estado de tracción simple a temperatura ambiente.

1-2) ESTADO TRIAXIAL DE TENSIONES

Si son las tensiones normales las responsables de la propagación de las microgrietas de deformación, un aumento relativo de las tensiones principales de tracción, con respecto a la tensión tangencial máxima, aumenta la probabilidad de ocurrencia de las roturas por arrancamiento, como ocurre en los estados biaxiales y triaxiales de tensiones.

Un estado de tensión como el descrito, de tensiones principales positivas, se logra en la práctica entallando la probeta a ensayar.

1-3) TEMPERATURA DE TRANSICIÓN

La información obtenida a partir del ensayo de tracción sobre aceros de bajo carbono a distintas temperaturas nos permiten evaluar la influencia de la temperatura sobre el tipo de rotura, Fig. 2.

Los ensayos han demostrado la existencia de una muy baja temperatura, por debajo de la cual la resistencia desciende a valores coincidentes con el límite superior de fluencia.

Entre las temperaturas Tc1 y Tc2 aparece el fenómeno de fluencia con la consiguiente deformación plástica aumentando la tendencia a la generación de las microfisuras, las que sin embargo no se propagan con la misma facilidad que en el caso anterior debido a que los límites de grano se comportan como elementos de contención, produciéndose la fractura por arrancamiento para valores de tensión iguales al límite de fluencia inferior.

En el intervalo de temperaturas Tc2-Tc3, disminuyen simultáneamente la generación y propagación de las microgrietas al aumentar la tendencia a la deformación plástica, lo que provoca un incremento en la tensión normal capaz de propagarlas y, por consiguiente, de la resistencia de¡ material.

Por encima de la temperatura Tc3 la probabilidad de ocurrencia de la rotura frágil disminuye rápidamente o lo que es lo mismo aumenta la ductilidad hasta alcanzar los valores observados a temperatura ambiente.

Existe por lo visto una transición dúctil-frágil en el comportamiento del material en función de la temperatura, llamándose temperatura de transición a aquélla en la cual se produce el cambio. Temperaturas de transición próximas a la de ambiente elevan la probabilidad de roturas frágiles en condiciones normales de servicio.

La temperatura de transición es función para un mismo material del estado de tensión, aumentando a medida que disminuye la tensión tangencial máxima para un mismo valor de la tensión principal de tracción.

2- ENERGÍA DE IMPACTO

Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o martillos pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas según que la probeta rompa por flexionamiento (flexión por choque) o que su rotura se alcance por deformación longitudinal (tracción por choque). Los valores obtenidos en estos ensayo son únicamente comparables, en materiales con propiedades similares ya sean siempre dúctiles o frágiles, cuando se realizan sobre el mismo tipo de probeta y en idénticas condiciones de ensayo.

La máquina de ensayo determinará el trabajo absorbido por el material cuando éste es roto de un solo golpe por la masa pendular y su valor en kgmf o Joule, o relacionándolo con la sección o volumen de la probeta, según el método nos indicará la resistencia al choque o capacidad del material para absorber cargas dinámicas de impacto (resiliencia).

El principio de funcionamiento de las máquinas utilizadas es el que ilustra esquemáticamente la Fig. 3, en donde una masa o peso G asegurada a una barra que puede girar libremente sobre un eje 0, es elevada a una altura h1, desde su posición vertical de reposo, la que también es posible indicar por el ángulo 1

Figura 3

Si en estas condiciones se la deja caer y en el punto P, ubicado sobre la vertical del desplazamiento del péndulo, se coloca una barra de un material determinado, la masa al chocar con ella producirá su rotura, si la energía que posee el péndulo es mayor que la necesaria para alcanzarla, en cuyo caso continuará su trayectoria elevándose hasta una altura h2 indicada también por el ángulo 2

El trabajo empleado entonces en romper la barra será la diferencia entre la energía inicial del péndulo y la que posee al final de su carrera.

Ao = A1 - A2

A1 = G. h1 y A2 = G. h2

Ao = G.(h1 - h2)

y en función de los ángulos, tenemos: h1 = OP - OA en donde OP es el brazo del péndulo igual a R. Del triángulo OAB

OA = R.cos 1 reemplazando

h1 = R - R.cos 1 = R.(1 - cos 1)

Procediendo en igual forma para la altura después del choque

h2 = R - R.cos 2 = R.(1 - cos 2)

reemplazando estos valores en la diferencia de trabajos, nos queda

Ao = G.R.(1 - cos 1) - G.R.(1 - cos 2)

Ao = G.R.(cos 2 - cos 1)

El valor numérico en kilográmetros o en Joule del trabajo gastado para producir la rotura queda indicado sobre una escala convenientemente graduada que posee la máquina, o bien resulta de la fórmula anterior en donde los valores de los ángulos se miden sobre un cuadrante que se encuentra en la parte superior de aquélla.

El trabajo o energía registrada será considerada aceptable cuando las pérdidas por fricción entre las partes metálicas de la máquina, para la marcha en vacío, sea inferior al 0,4 % de la energía máxima.

3- MÉTODOS DE ENSAYO

Los métodos propuestos por Izod en 1903 y por Charpy en 1909, consisten en romper el material que se ensaya, bajo un efecto dinámico que se produce por el impacto sobre el mismo de una masa de peso y velocidad conocida. En ambos casos la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, por lo que se los denomina flexión por choque.

En los casos en que se pretenda obtener mejores condiciones de tracción pura, por la rapidez en la aplicación de las cargas, se pueden realizar ensayos dinámicos de tracción por choque.

Además, en la determinación de las temperaturas de transición de aceros estructurales, las normas aconsejan el empleo de martinetes con probetas especiales (método A.S.T.M).

Para el estado de tensión creado por la solicitación dinámica de choque, la velocidad de aplicación de carga estandarizada es superior a la crítica de rotura, por lo que la deformación será localizada con epicentro en la entalla, Fig. 4.

Figura 4

Dada la gran dificultad que existe en la evaluación del volumen deformado, es que el trabajo total de deformación no se define como la energía por unidad de volumen como lo hacíamos en tracción estática "Capacidad de Trabajo de Deformación", sino por la energía requerida para provocar la rotura por unidad de área de la sección transversal entallada o resiliencia, o directamente por la energía absorbida.

3-1) FLEXIÓN POR CHOQUE SOBRE BARRAS SIMPLEMENTE APOYADAS (MÉTODO CHARPY)

Con la finalidad de que el material esté actuando en las más severas condiciones, el método Charpy utiliza probetas entalladas (estado triaxial de tensiones) y velocidades de deformación de 4,5 a 7 m/s, siendo el entorno recomendado por las normas el de 5 a 5,5 m/s.

Figura 5

Las probetas se colocan, como muestra la Fig. 5, simplemente apoyadas sobre la mesa de la máquina y en forma tal que la entalladura se encuentra del lado opuesto al que va a recibir el impacto. En la misma figura se puede observar la correcta posición del material como así también la forma y dimensiones de los apoyos y de la pena del martillo pendular.

Respecto al "filo" o extremo de la masa pendular, la norma A.S.T.M. E-23 indica que debe presentar un ancho de aproximadamente 4 mm, redondeado con un radio de 8 mm.

Las probetas utilizadas por Charpy eran de sección cuadrada de 30 mm de lado por 160 mm de largo y la entalladura de 1 mm de ancho con una profundidad de 15 mm terminaba en un orificio de 2 mm de diámetro; para sus ensayos la luz entre los bordes de los apoyos era de 130 milímetros. Estas probetas son muy poco utilizadas en la actualidad, siendo reemplazadas por otros tipos que mantienen, en algunos casos, idéntica forma pero de menores dimensiones, las que varían de acuerdo a las normas utilizadas.

La elección del tipo de probeta depende del material a ensayar, adoptándose para cada caso la que dé resultados más satisfactorios; en general se emplean las de entalladuras más profundas y de menor ancho para los metales más dúctiles.

Figura 6

Las I.R.A.M. aconsejan realizar el ensayo de choque por el método Charpy, con el empleo de probetas entalladas aprobadas por I.S.O. (International Standards Organization, ex I.S.A.) que tienen las dimensiones indicadas en la Fig. 5, pudiendo reducirse la profundidad de la entalladura, para materiales de poca resistencia a la flexión por choque, a 3 mm para el tipo B y a 2 mm para el C, obteniéndose en este último caso la probeta denominada Mésnager, o bien variarse el ancho a 7,5; 5 6 2,5 mm para el tipo A, cuando el espesor del producto sea inferior al necesario para el maquinado de la probeta standard, en cuyo caso debe aclararse la probeta utilizada.

Las probetas indicadas en la Fig. 6 son usadas preferentemente para el ensayo de metales ferrosos. La norma DIN 50 116 indica para el cinc y sus aleaciones, probetas sin entallas de secciones cuadradas y trapeciales. La sección cuadrada de 6 X 6 mm se emplea en aleaciones forjadas y la trapecial de 6,1 X 5,9 X 6,0 mm de altura para aleaciones de fundición inyectable; en todos los casos el largo de las probetas es de 75 mm, manteniéndose la luz entre apoyos en 40mm.

El impacto sobre las probetas de sección trapezoidal debe darse en la cara más angosta.

La resiliencia o resistencia al choque resulta, según este método, el trabajo gastado por unidad de sección transversal para romper al material de un solo golpe:

Resiliencia = K = Ao/S (kgfm/cm2 ; joule/cm2)

En la actualidad se tiende a evitar el cálculo de la resiliencia, expresándose los resultados de ensayos simplemente en términos de energía de rotura.

SUPERFICIE DE ROTURA

Las fracturas por flexión por choque se originan por acción de las tensiones normales máximas en el plano de la entalla, variando desde la completamente frágil, cristalina brillante u opaca, hasta la completamente dúctil por deslizamiento o fibrosa.

En los estados intermedios de roturas cristalino-fibrosas, la misma se origina por arrancamiento en la zona central próxima a la entalla y concluye por deslizamiento en los bordes, variando paulatinamente la relación superficial entre ambas roturas con el material y la temperatura.

TEMPERATURA DE TRANSICIÓN

La determinación del rango de temperaturas, en el cual se produce la transición dúctil-frágil de un material, a través del ensayo de Charpy, tiene la gran ventaja con respecto a otros estados de tensión y de velocidad de deformación, de que existe una gran correlación entre los resultados obtenidos en laboratorio con los observados en servicio.

Ensayos de Charpy con probetas tipo A, a distintas temperaturas, han demostrado que el aumento progresivo de la misma provoca un aumento de la energía de impacto, hasta estabilizarse para determinados valores de energía y que la transición en el comportamiento se produce en un rango de temperaturas, de amplitud variable con el material de ensayo. Al no existir una única temperatura de transición su determinación será puramente convencional, variando para un material dado según las especificaciones utilizadas.

Dos son los métodos que basan su definición en valores de energía y un tercero, adoptado por ASTM, lo hace como relación entre las superficies de arrancamiento y deslizamiento:

a) Temperatura para la cual la energía absorbida es 15 lb-pie (21 joule), Tda

b) Temperatura correspondiente a una energía de rotura igual al valor medio entre las correspondientes a las asíntotas de la función Energía-Temperatura, Tdb

c) Temperatura en que se obtienen iguales superficies de rotura frágil y dúctil.
 

3-2) FLEXIÓN POR CHOQUE DE BARRAS EMPOTRADAS (MÉTODO IZOD)

Figura 8

En el método Izod la probeta se coloca en voladizo y en posición vertical, siendo asegurada por la mesa de apoyo de modo tal que la entalladura quede en el plano de las mordazas; en estas condiciones el extremo del martillo golpea al material a 22 mm de las mismas, como indica la figura pudiendo realizarse más de un ensayo sobre la misma probeta, cuando se emplean las del tipo b de la Fig. 8, la que también puede construirse de sección circular, que presenta la ventaja de que permite determinar la energía de rotura sobre caras o generatrices opuestas y a diferentes profundidades de la muestra

La probeta standard Izod es la indicada en la Fig. 8, pudiéndose emplear la redonda de la Fig. 9, que da resultados similares y, por lo tanto, comparables con los obtenidos con la normal, presentando la ventaja sobre ésta de su mayor facilidad de maquinado.

Figura 9

En estas pruebas, los valores de ensayos se dan directamente por la energía de Impacto en kgfm o Joule, no siendo recomendable su uso para temperaturas distintas de la ambiente.

4- CONDICIONES DE ENSAYO PARA FLEXIÓN POR CHOQUE

Figura 10

1) Las probetas presentarán sus dimensiones dentro de las tolerancias indicadas en las normas respectivas, debido a que el tamaño de las mismas influye en los valores de ensayo.

Las probetas deben terminarse sin marcas de herramienta, sin llegar necesariamente a su pulido, especificando claramente la forma de extracción con respecto a la dirección de laminado, por producirse modificaciones significativas en el comportamiento de los metales bajo efectos de impacto con la orientación relativa de la probeta con el laminado (Fig. 10).

2) Las entalladuras tienen gran influencia en los resultados del ensayo, especialmente por el radio de la curva de enlace, por lo que las mismas deben realizarse con gran exactitud mediante el empleo de mechas, presas o amoladoras, presentando sus caras sin rayaduras ni marcas y perfectamente paralelas según el tipo de probeta.

Definida la temperatura de transición en términos de la energía absorbida, el cambio de entalla provoca una variación de importancia no sólo en la forma de la transición sino también en el valor de temperatura en la que se produce

Figura 11

Es de resaltar la gran dispersión obtenida para la probeta tipo B en el entorno de la transición dúctil-frágil, área rayada de la figura.

3) La temperatura del ensayo deberá ser de 20° ± 1 °C, o bien la especificada para el material; si se emplea el método Charpy las probetas pueden ser llevadas a la temperatura deseada y ensayadas inmediatamente, no así para el método Izod en donde también deberá calentarse o enfriarse el soporte donde van empotradas. En ambos métodos la muestra debe alcanzar el equilibrio térmico en toda su masa, condición que se cumple manteniendo la probeta a la temperatura deseada más de 5 min., si el medio refrigerante es liquido, o más de 60, si es gaseoso. Para ensayos a altas temperaturas el tiempo mínimo de permanencia será de 10 a 60 min., según que la temperatura resulte inferior o no a los 260° C respectivamente.

4) La velocidad de impacto modifica los valores de la energía de rotura: el aumento de la velocidad en la aplicación de la carga producía un aumento en el valor del limite de fluencia, pero disminuía ligeramente la ductilidad del material; de la misma manera, en los ensayos de choque el aumento de la velocidad de impacto produce un aumento en su fragilidad o en otras palabras una disminución en la energía de rotura.

5) Se verificará la correcta posición del péndulo y de la probeta teniendo presente que, cuando aquél se encuentra suspendido, el extremo redondeado del martillo Charpy o el borde del Izod deberán tocar levemente el material a ensayar.

6) La probeta se colocará de modo que el centro de la entalladura coincida con el plano que recorre el eje del martillo o bien la coincidencia se producirá con el eje longitudinal de la probeta, en el método Izod.

7) La arista del martillo Charpy deberá entrar en contacto simultáneo con todo el ancho de la cara de la probeta opuesta a la entalladura.
Para satisfacer estas tres últimas condiciones las máquinas presentan calibres de control.

8) Los péndulos standard utilizados tendrán alcances máximos de 300 ± 10 Joule para el ensayo Charpy y de 162,3 ± 3,4 Joule para el Izod, con un error permitido de hasta ± 0, 5 %.

9) El valor de energía absorbida resultará siempre del promedio de tres determinaciones como mínimo y, en el caso de ensayos a temperaturas distintas de la ambiente, se deberá calentar o enfriar a las probetas simultáneamente.

10) Los valores de la velocidad, energía de impacto, temperatura de ensayo y tipo de probeta utilizada, deberán consignarse al comienzo del informe sobre la- experiencia realizada.