Prueba de impacto Charpy
Método para medir la cantidad de energía absorbida por un material durante la fractura.
Una moderna máquina de pruebas de impacto.
Modos de falla mecánica

En la ciencia de los materiales , la prueba de impacto Charpy , también conocida como prueba de entalla en V Charpy , es una prueba estandarizada de alta velocidad de deformación que determina la cantidad de energía absorbida por un material durante la fractura . La energía absorbida es una medida de la tenacidad de entalla del material . Se utiliza ampliamente en la industria, ya que es fácil de preparar y realizar y los resultados se pueden obtener de forma rápida y económica. Una desventaja es que algunos resultados son solo comparativos. [1] La prueba fue fundamental para comprender los problemas de fractura de los barcos durante la Segunda Guerra Mundial. [2] [3]

La prueba fue desarrollada alrededor de 1900 por SB Russell (1898, estadounidense) y Georges Charpy (1901, francés). [4] La prueba se conoció como prueba Charpy a principios de 1900 debido a las contribuciones técnicas y los esfuerzos de estandarización de Charpy.

Historia

En 1896, SB Russell introdujo la idea de la energía residual de fractura e ideó una prueba de fractura de péndulo. Las pruebas iniciales de Russell medían muestras sin entalla. En 1897, Frémont introdujo una prueba para medir el mismo fenómeno utilizando una máquina accionada por resorte. En 1901, Georges Charpy propuso un método estandarizado que mejoraba el de Russell introduciendo un péndulo rediseñado y una muestra con entalla, proporcionando especificaciones precisas. [5]

Definición

Una máquina de prueba de impacto antigua. La jaula amarilla de la izquierda tiene como objetivo evitar accidentes durante el balanceo del péndulo; el péndulo se ve en reposo en la parte inferior.

El aparato consiste en un péndulo de masa y longitud conocidas que se deja caer desde una altura conocida para impactar una muestra de material entallada . La energía transferida al material se puede inferir comparando la diferencia de altura del martillo antes y después de la fractura (energía absorbida por el evento de fractura).

La entalla en la muestra afecta los resultados del ensayo de impacto, [6] por lo que es necesario que la entalla tenga dimensiones y geometría regulares. El tamaño de la muestra también puede afectar los resultados, ya que las dimensiones determinan si el material se encuentra o no en deformación plana . Esta diferencia puede afectar en gran medida las conclusiones extraídas. [7]

Los métodos estándar para pruebas de impacto de barras entalladas de materiales metálicos se pueden encontrar en ASTM E23, [8] ISO 148-1 [9] o EN 10045-1 (retirada y reemplazada por ISO 148-1), [10] donde se describen en detalle todos los aspectos de la prueba y el equipo utilizado.

Resultados cuantitativos

El resultado cuantitativo de las pruebas de impacto mide la energía necesaria para fracturar un material y se puede utilizar para medir la tenacidad del material. Existe una conexión con la resistencia a la fluencia , pero no se puede expresar mediante una fórmula estándar. Además, se puede estudiar y analizar la velocidad de deformación para determinar su efecto sobre la fractura.

La temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) puede derivarse de la temperatura en la que la energía necesaria para fracturar el material cambia drásticamente. Sin embargo, en la práctica no hay una transición nítida y es difícil obtener una temperatura de transición precisa (en realidad, se trata de una región de transición). Una DBTT exacta puede derivarse empíricamente de muchas maneras: una energía absorbida específica, un cambio en el aspecto de la fractura (por ejemplo, el 50 % del área es clivaje), etc. [1]

Resultados cualitativos

Los resultados cualitativos de la prueba de impacto se pueden utilizar para determinar la ductilidad de un material. [11] Si el material se rompe en una superficie plana, la fractura es frágil, y si el material se rompe con bordes dentados o labios cortantes, entonces la fractura es dúctil. Por lo general, un material no se rompe de una manera u otra, por lo que comparar las áreas de superficie dentadas con las planas de la fractura dará una estimación del porcentaje de fractura dúctil y frágil. [1]

Tamaños de muestra

Según ASTM A370, [12] el tamaño estándar de la muestra para la prueba de impacto Charpy es de 10 mm × 10 mm × 55 mm. Los tamaños de muestra de tamaño inferior son: 10 mm × 7,5 mm × 55 mm, 10 mm × 6,7 mm × 55 mm, 10 mm × 5 mm × 55 mm, 10 mm × 3,3 mm × 55 mm, 10 mm × 2,5 mm × 55 mm. Detalles de las muestras según ASTM A370 (Método de prueba estándar y definiciones para pruebas mecánicas de productos de acero).

Según la norma EN 10045-1 (retirada y reemplazada por la norma ISO 148), [10] los tamaños de muestra estándar son 10 mm × 10 mm × 55 mm. Las muestras de tamaño inferior son: 10 mm × 7,5 mm × 55 mm y 10 mm × 5 mm × 55 mm.

Según la norma ISO 148, [9] los tamaños de muestra estándar son 10 mm × 10 mm × 55 mm. Las muestras de tamaño inferior son: 10 mm × 7,5 mm × 55 mm, 10 mm × 5 mm × 55 mm y 10 mm × 2,5 mm × 55 mm.

Según la norma MPIF 40, [13] el tamaño estándar de muestra sin entalla es de 10 mm (±0,125 mm) x 10 mm (±0,125 mm) x 55 mm (±2,5 mm).

Resultados de pruebas de impacto en materiales de baja y alta resistencia

La energía de impacto de los metales de baja resistencia que no muestran un cambio en el modo de fractura con la temperatura, es generalmente alta e insensible a la temperatura. Por estas razones, las pruebas de impacto no se utilizan ampliamente para evaluar la resistencia a la fractura de materiales de baja resistencia cuyos modos de fractura permanecen inalterados con la temperatura. Las pruebas de impacto generalmente muestran una transición dúctil-frágil para materiales de alta resistencia que sí muestran un cambio en el modo de fractura con la temperatura, como los metales de transición cúbicos centrados en el cuerpo (BCC). Las pruebas de impacto en materiales naturales (que pueden considerarse de baja resistencia), como la madera, se utilizan para estudiar la tenacidad del material y están sujetas a una serie de cuestiones que incluyen la interacción entre el péndulo y una muestra, así como modos de vibración más altos y contactos múltiples entre la parte superior del péndulo y la muestra. [14] [15] [16]

En general, los materiales de alta resistencia tienen energías de impacto bajas, lo que demuestra que las fracturas se inician y propagan fácilmente en materiales de alta resistencia. Las energías de impacto de los materiales de alta resistencia distintos de los aceros o los metales de transición BCC suelen ser insensibles a la temperatura. Los aceros BCC de alta resistencia muestran una variación más amplia de energía de impacto que los metales de alta resistencia que no tienen una estructura BCC porque los aceros experimentan una transición dúctil-frágil microscópica. Independientemente de ello, la energía de impacto máxima de los aceros de alta resistencia sigue siendo baja debido a su fragilidad. [17]

Véase también

Notas

  1. ^ abc Meyers Marc A; Chawla Krishan Kumar (1998). Comportamientos mecánicos de los materiales . Prentice Hall. ISBN 978-0-13-262817-4.
  2. ^ "El diseño y los métodos de construcción de buques mercantes de acero soldado: Informe final de una junta de investigación (de la Marina de los EE. UU.)". Welding Journal . 26 (7): 569. Julio de 1947.
  3. ^ Williams, ML y Ellinger, G. A (1948). Investigación de placas de acero fracturadas extraídas de barcos soldados . Oficina Nacional de Normas Rep.
  4. ^ Siewert
  5. ^ Cedric W. Richards (1968). Ciencia de los materiales de ingeniería . Wadsworth Publishing Company, Inc.
  6. ^ Kurishita H, Kayano H, Narui M, Yamazaki M, Kano Y, Shibahara I (1993). "Efectos de las dimensiones de la entalla en V en los resultados de la prueba de impacto Charpy para muestras en miniatura de acero ferrítico de diferentes tamaños". Materials Transactions - JIM . 34 (11). Instituto Japonés de Metales: 1042–52. doi : 10.2320/matertrans1989.34.1042 . ISSN  0916-1821.
  7. ^ Mills NJ (febrero de 1976). "El mecanismo de fractura frágil en pruebas de impacto con entalla sobre policarbonato". Revista de ciencia de materiales . 11 (2): 363–75. Bibcode :1976JMatS..11..363M. doi :10.1007/BF00551448. S2CID  136720443.
  8. ^ Métodos de prueba estándar ASTM E23 para pruebas de impacto de barras con entalla de materiales metálicos
  9. ^ ab ISO 148-1 Materiales metálicos - Ensayo de impacto de péndulo Charpy - Parte 1: Método de ensayo
  10. ^ ab EN 10045-1 Ensayo de impacto Charpy sobre materiales metálicos. Método de ensayo (entalladuras en V y en U)
  11. ^ Mathurt KK, Needleman A, Tvergaard V (mayo de 1994). "Análisis 3D de los modos de fallo en la prueba de impacto Charpy". Modelado y simulación en ciencia e ingeniería de materiales . 2 (3A): 617–35. Bibcode :1994MSMSE...2..617M. doi :10.1088/0965-0393/2/3A/014. S2CID  250853994.
  12. ^ Métodos de prueba estándar y definiciones ASTM A370 para pruebas mecánicas de productos de acero
  13. ^ Métodos de prueba estándar para polvos metálicos y productos de pulvimetalurgia . Princeton, Nueva Jersey: Federación de Industrias de Polvos Metálicos. 2006. págs. 53-54. ISBN 0-9762057-3-4.
  14. ^ Polocoșer, Tiberiu; Kasal, Bohumil; Stöckel, Frank (1 de noviembre de 2017). "Estado del arte: pruebas de velocidad de deformación intermedia y alta de madera maciza". Ciencia y tecnología de la madera . 51 (6): 1479–1534. doi :10.1007/s00226-017-0925-6. ISSN  1432-5225.
  15. ^ Polocoşer, Tiberiu; Kasal, Bohumil; Hallermann, Aljoscha; Li, Xinyi (1 de marzo de 2017). "¿Qué era el método de incremento pequeño de Timoshenko? Con una aplicación al impacto de baja velocidad de una viga de madera". Revista de comportamiento dinámico de materiales . 3 (1): 45–63. doi :10.1007/s40870-017-0093-7. ISSN  2199-7454.
  16. ^ Polocoșer, T.; Kasal, B.; Li, X. (1 de septiembre de 2017). "Diseño de experimentos y dificultades de las pruebas de impacto de péndulo de baja velocidad". Revista de comportamiento dinámico de materiales . 3 (3): 436–460. doi :10.1007/s40870-017-0123-5. ISSN  2199-7454.
  17. ^ Courtney, Thomas H. (2000). Comportamiento mecánico de los materiales . Waveland Press, Inc. ISBN 978-1-57766-425-3.
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  • Calculadora
  • Vídeo sobre la prueba de impacto Charpy
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