Ensayo de Choque

Introducción.

Si bien antiguamente se utilizaban materiales frágiles (piedra, ladrillos, cemento), los ingenieros sabían que si estos son sometidos a cargas de compresión, no fallan en forma inesperada Antes de la revolución industrial, la arquitectura se caracterizaba por vanos reducidos, obteniendo cargas de compresión, tal como ocurre en los puentes romanos.

Esto hace que en la actualidad existan estructuras construidas en piedra hace siglos, que permanecen en pie.

La introducción del acero, material dúctil, eliminó las restricciones al diseño del material frágil y permitió construir estructuras solicitadas a esfuerzos de tracción.

El origen de la mayoría de las fallas estructurales se encuentra en una de las siguientes categorías: Diseño, construcción u operación incorrectos 

Uso de un nuevo diseño, material o método de fabricación, con resultados inesperados 

Por lo visto hasta ahora, la falla de un componente mecánico podemos pensarla como un evento de fractura de la pieza (probeta de tracción).

La fractura se representa por la existencia de una fisura que se extiende hasta separar un componente en dos o más partes.

FRACTURA DÚCTIL: Caracterizada por gran deformación plástica y baja velocidad de propagación.

FRACTURA FRÁGIL: Caracterizada por muy baja deformación plástica y gran velocidad de propagación. La fractura propaga por planos cristalográficos característicos, de clivaje o baja densidad de enlaces.

Sin embargo, el uso del acero promovió fallas inesperadas en depósitos, recipientes a presión, tuberías, aeronaves, etc., aun bajo solicitaciones muy por debajo de la resistencia del material. La rotura era en general del tipo frágil, repentina e inesperada, dando origen con posterioridad a los estudios de fractura.

La fractura frágil puede ser transgranular o, en algunos casos, intergranular.

En general se trata de evitar la fractura frágil y se espera que un material sea capaz de deformar y absorber buena cantidad de energía antes de romperse.

Materiales con respuesta típicamente dúctil, pueden comportarse como frágil bajo ciertas condiciones.

Los factores que contribuyen a la fractura frágil son:

• Estado triaxial de tensiones (discontinuidades, defectos)
• Baja temperatura (medio ambiente)
• Alta velocidad de aplicación de la carga (impacto)

No es necesario que los tres factores actúen simultáneamente

Se observó que materiales con valores similares de resistencia y ductilidad tienen un comportamiento disímil bajo cargas dinámicas, a baja temperatura o afectadas por concentradores de tensión.

Por lo tanto, resulta importante conocer el comportamiento del material bajo condiciones severas de solicitación como:

Estado triaxial de tensiones:

La presencia de la entalla en la probeta promueve el estado triaxial de tensiones, minimizando las tensiones de corte y por lo tanto, atenta contra los procesos de deformación plástica. 

Impacto: 

La alta velocidad de aplicación de la carga no permite desarrollar los fenómenos de deformación plástica que promueven la fractura dúctil.

Baja temperatura: 

La disminución de la temperatura del material, afecta la movilidad atómica, por lo tanto los procesos de deformación plástica también se dificultan. 

Las condiciones que promueven la fractura frágil son puestos en evidencia en el ensayo de choque con probeta entallada, el cual mide la resiliencia o energía absorbida en el proceso de fractura para distintas temperaturas. 

Otras formas alternativas de evaluar la energía necesaria para promover la fractura incluyen: 

 el análisis de la superficie de fractura y la medición del porcentaje de fractura fibrosa 

 grado de ductilidad / deformación, medida como la contracción en el fondo de la entalla

Ensayo Charpy

Existen diferentes diseños de probetas entalladas y formas de aplicación de la carga, aunque el ensayo Izod y el ensayo Charpy, son los ensayos más difundidos, El ensayo Charpy (flexión en tres puntos), ha sido más aceptado por la mayor rapidez para el posicionamiento de las probetas Los valores obtenidos en el ensayo de choque no proporcionan un dato para diseño, sino que permite obtener datos comparativos de la resiliencia, para diferentes materiales y tratamientos. 

El ensayo consiste en impactar la muestra con un martillo de peso G, que posee su extremo redondeado con r = 2 mm, el que se deja caer desde una determinada altura, h.

Según el esquema de la figura, sin probeta en la máquina, la altura final del péndulo deberá ser la misma que antes de lanzar el mismo. Con probeta, la energía necesaria para producir la fractura de la probeta se verá reflejada en el péndulo en una menor altura final del mismo.

La energía absorbida por la muestra para producir su fractura queda indicada en una escala ubicada en la máquina de ensayo.

La probeta Charpy puede tener diferentes geometrías de entalla, aunque la más utilizada es la entalla en V.

• La velocidad de impacto debe estar entre 3 – 6 m/seg 
• En ensayos a T distinta Tamb la muestra debe ser colocada en t<5 seg 
• La energía consumida no puede superar el 80% de la energía disponible en el péndulo

Si se ensayan probetas del mismo material a diferentes temperaturas, se observa que la energía absorbida depende de la temperatura.

Temperatura de Transición - Tt

Es la temperatura a la cual el material cambia la respuesta de dúctil a frágil

El ensayo aporta información adicional a la energía absorbida La superficie de fractura tiene una región central brillante, característica del clivaje, mientras que el aspecto de la región anular opaca, es típico de la fractura dúctil. La relación de áreas brillante/fibrosa, en función de la temperatura de ensayo, da origen también a una curva de transición.

La norma ASTM E 23 provee valores de referencia para el cálculo del porcentaje de fractura dúctil/frágil.

La probeta Charpy se deforma al fracturarse, encontrándose contracción en el fondo de la entalla y expansión en la arista opuesta.

La deformación depende de la temperatura de ensayo, dando lugar también a la obtención de una curva de transición “deformación vs. temperatura”.

Aún cuando el ensayo Charpy posee limitaciones, entre otras no discrimina la cantidad de energía consumida para las etapas de iniciación y propagación de la fisura, es muy utilizado debido a su reducido costo. 

El ensayo Charpy sobre muestras entalladas es de utilidad para:

• Evaluar los cambios en la resiliencia del material, influenciados por elementos de aleación, impurezas o gases atrapados.
• Estudiar la influencia de los procesos de fabricación a través de cambios microestructurales (dirección de laminación, tamaño de grano, etc.)
• Aseguramiento de la calidad en materiales provenientes de diferentes partidas para aplicaciones que involucran la seguridad de personas, por ejemplo: industrias de recipientes a presión, componentes de suspensión de vehículos, puentes de acero, etc.

Curvas de transición características para materiales con diferente ordenamiento atómico. Se muestra la respuesta de materiales con diferente ordenamiento atómico, FCC y BCC.
 

Los elementos de aleación afectan la resiliencia y la temperatura de transición.

La orientación de las fibras (textura) de los metales fabrica-dos por deformación influye en la resiliencia.

La figura muestra el efecto de la orientación de la probeta respecto la dirección de laminación, en los valores de energía absorbida vs. temperatura.