Tenacidad - Ensayo de Impacto

 

¿Qué es el ensayo de impacto?

Lo ensayo de impacto se utiliza para comprender y evaluar la fragilidad de los metales. La fragilidad de los metales se asocia con la característica o propiedad que este metal tiene para lograr la ruptura (o fractura) sin sufrir deformación apreciable.

La prueba cobró importancia a partir de la Segunda Guerra Mundial, cuando los barcos comenzaron a utilizar placas soldadas en lugar de la construcción tradicional remachada.

Hasta entonces, este comportamiento frágil no se entendía porque no podía ser predicho por ninguna otra prueba realizada, como la prueba de tracción.

La prueba de tracción es una prueba de resistencia uniaxial realizada normalmente a temperatura ambiente y, por lo tanto, no era representativa de las condiciones de trabajo a las que se sometían los buques "liberty" de los Estados Unidos:

  • Temperaturas inferiores;
  • Estado de tensión triaxial (tensión en los tres ejes - X, Y y Z);
  • Carga aplicada dinámicamente (impacto);

Después de grandes pérdidas humanas y materiales debido a la falta de servicio de estos buques, se desarrollaron pruebas específicas para los impactos.

La resistencia al impacto se ve muy afectada por la temperatura, pero también por condiciones que no se pueden implementar fácilmente en una prueba de tracción común:

  • Existencia de grietas o muescas;
  • Velocidad de carga;

Los buques de transporte estadounidenses eran dudosos donde eran fabricados y probados, a diferencia de ellos en las aguas frías de Europa. Con esto concluimos que hay materiales frágiles y materiales frágiles, tales como soldaduras de naves de libertad.

Incluso usando materiales dudosos, con la fuerza suficiente para soportar una cierta aplicación o carga, se encontró en la práctica que un material dudoso puede romperse débilmente después de una temperatura dada.

Lo ensayo de impacto consiste en someter un cuerpo estandarizado de ensayo a una flexión causada por el impacto de un martillo en la figura siguiente.

Lo ensayo de impacto permite obtener la energía utilizada en la deformación y fractura del cuerpo de ensayo. Esta energía es la medida de la diferencia entre la altura inicial del péndulo h y la altura máxima alcanzada después de la ruptura del cuerpo de prueba h '.

Altura do ensaio de impacto (h e h’)

Tenga en cuenta que cuanto más pequeña h ', más energía fue absorbida por el cuerpo de prueba. Por otro lado, cuanto menor es la energía absorbida (mayor h '), más frágil es el comportamiento del material a esa temperatura."

Finalidad de la prueba de impacto

La prueba de impacto se aplica por requisito de normas (ASME, AWS, DIN, ISO, etc.) y tenemos varias razones para utilizarla.

Una de las razones es evaluar los materiales en equipos que operarán a bajas temperaturas. Más específicamente, se utiliza en la evaluación del comportamiento frágil de los materiales y actúa como una herramienta auxiliar para el estudio de la temperatura de transición dúctil-frágil de los materiales.

El resultado de esta evaluación, sin embargo, tiene un significado e interpretación limitados y su resultado no es concluyente. Por esta razón, el ensayo debe limitarse a la comparación de materiales probados en las mismas condiciones.

Para obtener resultados más cuantificables, se debe utilizar el ensayo CTOD y, alternativamente, la prueba de peso descendente.

La explicación de la limitación de la prueba de impacto se debe a que los componentes de las tensiones triaxiales presentes en el cuerpo de ensayo durante la prueba no se pueden medir satisfactoriamente porque dependen de varios factores.

Por lo tanto, no podemos relacionar la energía absorbida por el cuerpo de prueba con el comportamiento del metal a cualquier impacto, lo que sólo sucedería si la pieza entera fuera probada en condiciones de trabajo.

También puede utilizar la prueba de impacto para evaluar el éxito (o el fracaso) de las condiciones de fabricación, como la soldadura o los ciclos de tratamiento térmico impuestos.

Otra aplicación muy común es también para la validación del procedimiento de soldadura utilizado en una junta soldada dada. No es suficiente saber si el material es adecuado, la soldadura también debe ser evaluada.

Tipos de especímenes

El cuerpo de ensayo está estandarizado por estándares (ASTM A370 por ejemplo) y provisto de una muesca de medidas también estandarizadas para permitir la localización de la fractura y producir un estado triaxial de tensiones.

Los especímenes utilizados generalmente para realizar la prueba de impacto son: el espécimen charpy y el espécimen izod, ambos especificados por el estándar ASTM E23.

De estos dos, el tipo de charpy cp (cuerpo de prueba) es el más utilizado sin duda. Es tan utilizado que la prueba de impacto a veces se llama "charpy" (pronunciado con sonido más fuerte en Y).

Cuerpo de prueba Charpy

Los especímenes de Charpy se clasifican como de tipo A. B y C, con sección cuadrada de 10 mm, longitud de 55 mm y muescas en el centro del espécimen.

El tipo A tiene la Muesca en forma de V, el tipo B en forma de orificio y el tipo C en forma de U. Las muestras de tipo Charpy se admiten centralmente y la distancia entre estos soportes es de 40 mm.

La figura siguiente muestra la forma, las dimensiones y las muescas de estos tres tipos de especímenes.

Três tipos de corpos de prova de charpy

El cuerpo de prueba Charpy se admite en la máquina de prueba.

Cuerpo de prueba de Izod

El cuerpo de ensayo Izod tiene una sección cuadrada de 10 mm, longitud de 75 mm, muesca a una distancia de 28 mm de un extremo, en forma de v.

Los especímenes con muescas más profundas (Ejemplo Izod y Charpy tipo A) se utilizan para mostrar la diferencia de energías absorbidas en las pruebas de metales más dudosas. Estos cps tienden a causar fracturas frágiles más fácilmente.

En el ensayo de materiales más frágiles, como FoFo (hierro fundido) o metales fundidos bajo presión, los especímenes generalmente no requieren la muesca. Eso es porque el material ya es naturalmente más frágil.

Corpo de prova Izod

El cuerpo de prueba de Izod está colocado (atascado) en la máquina de prueba.

Especímenes reducidos

En el caso de materiales cuyas dimensiones no permiten la fabricación de especímenes normales (espesor inferior a 11 mm), es posible retirar los especímenes reducidos. Sin embargo, la longitud, el radio de ranura y el ángulo de muesca del cuerpo de prueba permanecen constantes.

Trabajo a máquina de la muesca

Debemos tener un equipo adecuado y medios de control de perfil de ranura, ya que una pequeña variación en el mecanizado de ranura puede introducir errores importantes en el resultado de la prueba.

Nota: Petrobras a través de sus estándares requiere la verificación de la muesca en un proyector de perfil antes de realizar la prueba de impacto charpy por ejemplo.

La ranura puede ser utilizada por medio de una máquina brochada, planer o fresadora, y su perfil debe ser controlado por un proyector de perfil.

Cada vez que voy a seguir una prueba de impacto le pido al operador que ponga un cuerpo de prueba en el proyector de perfil para poder evaluar el cumplimiento de la muesca.

Las muescas deben mecanizarse después del tratamiento térmico, cuando corresponda. Los especímenes ranurados en forma de "cerradura" deben tener el orificio circular cuidadosamente abierto con baja velocidad de corte.

El corte de ranura se puede realizar por cualquier método aplicable, pero para que la superficie del agujero no sea defectuosa.

Eliminación de especímenes

Las normas especifican el lugar de eliminación de las muestras, ya que su orientación y dirección para la preparación de la muesca implican cambios significativos en los resultados de las pruebas.

Hemos seguido tres posiciones de desmontaje y/o posicionamiento de la muesca en especímenes de Charpy, tomadas de diferentes posiciones de una placa de acero.

Três possibilidades de retirada e posicionamento do entalhe em corpos de prova Charpy


Tres posibilidades de desmontaje y posicionamiento de la muesca en especímenes Charpy

Sometidos a la prueba de impacto, estos cuerpos presentaron tres curvas diferentes, como se muestra en el siguiente gráfico.

Ensaio de impacto (diferentes posições de retirada)

En el cuerpo A, la muesca es transversal a las fibras del material. La curva A muestra que este fue el cuerpo de prueba que presentó la mayor cantidad de energía absorbida.

El cuerpo de ensayo C, que tiene muesca en la dirección de la fibra (que favorece la cizalladura), tiene la menor absorción de energía posible.

El cuerpo a prueba de B también tiene una muesca cruzada. Sólo, en este caso, la muesca cruza el núcleo de la placa, cortando todas las fibras a través.

La curva está en una situación intermedia en comparación con los otros dos. Esta relación entre las curvas permanece constante, sea cual sea la temperatura de la prueba.

Lo ensayo

La prueba de impacto puede verse en el esquema que figura a continuación.

Funcionamento do ensaio de charpy

Un cuerpo de prueba estandarizado con una muesca se rompe por la acción de un martillo en forma de péndulo (a). El principio de funcionamiento puede ser analizado por la vista lateral (b) de la misma figura.

Se supone que el péndulo se lleva a tal posición que su centro de gravedad está a una altura h0 en relación con una referencia de tal manera que su energía cinética en el punto de impacto tiene un valor fijo y especificado. El martillo se libera y golpea el cuerpo de prueba desde el lado opuesto de la muesca.

Sin tener en cuenta la resistencia al aire y la fricción en el pivote, una vez liberado y en ausencia del cuerpo de ensayo, el péndulo debe alcanzar la misma altura en el otro lado por el principio de conservación de la energía.

Después de romper a través del cuerpo de prueba, el martillo se eleva a una altura que es inversamente proporcional a la energía absorbida para deformar y romper el cuerpo de prueba. Así, cuanto más baja es la altura alcanzada por el martillo, más energía absorbe el cuerpo de prueba. Esta energía se lee directamente en la máquina de prueba.

Si el cuerpo de ensayo se inserta y se rompe por el impacto del péndulo, la energía absorbida en esta operación hace que el péndulo alcance, en el otro lado, una altura máxima h1 menor que h0. Es decir, la resistencia al impacto del material viene dada por la diferencia entre las energías potenciales en h0 y h1.

En la práctica, el instrumento tiene una escala graduada, con indicador de valor máximo, para la lectura directa de la diferencia energética. Debido a que es energía, la resistencia al impacto en los informes se registra generalmente en Joules (J). Sin embargo, la energía absorbida por el cuerpo de ensayo también puede expresarse en kgf/m (kilogramo-fuerza por metro) o lb/ft (libra por pie) o J (Joule). Algunas máquinas antiguas en Brasil suelen mostrar la energía en kgf/m y se requiere la conversión a Joule.

En el ensayo de charpy, el cuerpo de prueba tiene una muesca central y se apoya en ambos extremos. El impacto tiene lugar en el centro como se muestra anteriormente.

La muesca más común es el tipo "V", pero también hay muescas en forma de "U" o hendidura. Las cotas para la muesca tipo V son:

  • Longitud 55 mm;
  • Sección 10 x 10 mm;
  • Muesca a 45º;
  • Profundidad 2 mm.

Equipo

El equipo de ensayo se compone básicamente de un péndulo (martillo) que se libera en caída libre de una altura fija, un sitio de apoyo del cuerpo de prueba y un instrumento de medida, que contiene una esfera con escala graduada.

Esta esfera permite determinar la energía absorbida para romper el cuerpo de prueba, mediante la diferencia entre la altura inicial y la altura final alcanzada por el péndulo.

Consideraciones sobre la prueba

La temperatura del ensayo está directamente relacionada con los resultados obtenidos en material de baja y media resistencia y, por lo tanto, debe registrarse en el resultado junto con el tipo de cuerpo de ensayo que se probó.

Las pruebas de impacto se suelen especificar para temperaturas bajas, pero también se pueden realizar a temperaturas ambientales o incluso bajo temperaturas ambientales.

En los casos en que la temperatura de ensayo no sea la temperatura ambiente, los especímenes deben insertarse en la máquina y romperse en cinco segundos (de modo que no haya variación significativa de la temperatura). Además de esto, el medio de calefacción y/o refrigeración tiene que tener un control para el mantenimiento y homogeneización de la temperatura.

La prueba de charpy es la más recomendable porque es el posicionamiento más simple de la máquina. El manejo de los cps puede hacerse con el uso de un tenaz (tipo garra) adecuado para sus dimensiones. También es la prueba de impacto más barata en comparación con pruebas como CTOD.

Se debe tener cierto cuidado al realizar la prueba de impacto. Por ejemplo, antes del inicio de la prueba, la máquina debe verificarse mediante una oscilación libre del péndulo, de modo que el péndulo liberado en caída libre indique una energía cero en la pantalla de la máquina.

Si este procedimiento revela que la pantalla registra algún valor energético, entonces este valor debe eliminarse de los resultados obtenidos durante la prueba con el cuerpo de prueba.

No se recomienda realizar sólo una prueba de impacto para extraer alguna conclusión del material probado, incluso si se tiene cuidado de realizarlo.

Como los resultados de varios especímenes del mismo material pueden variar de entre sí, es necesario hacer al menos tres ensayos para tener una media aceptable como resultado. Cada tres muestras de la misma ubicación se denomina conjunto, por ejemplo: 1 conjunto de soldadura, 1 conjunto de ZAC, etc...

Al igual que en la prueba de tracción, también es posible estimar la ductilidad del material únicamente observando la región fracturada del cuerpo de ensayo. Cuanto mayor sea el porcentaje de cizalladura, más dudoso será el material (ver tema de tracción).

Evaluación de los resultados

Los criterios de evaluación para este ensayo son:

  1. Energía absorbida por el cuerpo de prueba. La energía absorbida en los especímenes probados se lee en la pantalla de la máquina;
  2. La característica y el porcentaje de la fractura (dudosa o frágil). El porcentaje de cizalladura es una función del área de la parte de fractura que tiene un aspecto brillante.
  3. Porcentaje de expansión lateral del cuerpo de ensayo. La expansión lateral es la adición de la cara opuesta a la muesca, en la dirección de la muesca en sí, después de la ruptura del cuerpo de prueba. Este criterio es muy raro y casi nunca se requiere.

El resultado principal de la prueba de impacto es la energía absorbida por el cuerpo de prueba para deformarse y romperse.

La energía se calcula variando la energía potencial del martillo (componente de la máquina de ensayo de impacto) antes y después del impacto. Recuerde que cuanto menor sea la energía absorbida, más frágil será el material a esa temperatura.

Vea la figura siguiente ejemplos de especímenes charpy:

  • cp no probado (más abajo);
  • cp después de la prueba (del medio);
  • material cp/muy dudoso (de arriba);

Tenga en cuenta que no se espera que el material no se rompa, es decir, esperamos que el material se rompa/frature como el cp medio en la figura inferior. El CP que no se rompe puede causar daños a la máquina de ensayo y su posible descalibración.

Exemplos de corpos de prova charpy

La evaluación de los resultados de los ensayos se ajustará a la norma, especificación o diseño en que se definan los valores medios y mínimos aceptables para considerar los ensayos como aprobados.

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