Los ensayos dinámicos son realizados para valorar la capacidad de
resistencia de los materiales metálicos a las cargas de impacto
(tenacidad) y determinar su tendencia a la rotura frágil. El ensayo más
conocido y estandarizado es el ensayo Charpy, un ensayo de impacto a
flexión con muestras ranuradas.
El péndulo de Charpy es un péndulo ideado por Georges Charpy que se utiliza en ensayos para determinar la tenacidad de un material. Son ensayos de impacto de una probeta entallada y ensayada a flexión en 3 puntos. El péndulo
cae sobre el dorso de la probeta y la parte. La diferencia entre la
altura inicial del péndulo (h) y la final tras el impacto (h') permite
medir la energía absorbida en el proceso de fracturar la probeta.
En estricto rigor se mide la energía absorbida en el área debajo de la
curva de carga (ensayo de tracción), que se conoce como resiliencia.
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Péndulo Charpy Fuente: wikipedia |
Para realizar este ensayo se utiliza el péndulo Charpy, que consta de un brazo giratorio con una maza en su extremo, que se hace incidir sobre la probeta provocando su rotura. El péndulo, de masa m, se encuentra a una altura inicial H, por lo que
tiene una determinada energía potencial antes de iniciar el ensayo.Cuando se inicia el ensayo, se libera el péndulo que, tras golpear la
probeta y romperla, continua con su giro, alcanzando una altura final h,
por lo que tendrá una nueva energía potencial.La energía que ha absorbido la probeta durante su rotura será la diferencia de energías potenciales inicial y final. Si la probeta no se rompe y el péndulo se detiene al chocar sobre ésta,
es necesario aumentar la energía potencial del péndulo, o bien
aumentando la masa, o bien aumentando la altura inicial.
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Animación Péndulo Charpy Fuente: Fagteori |
La energía absorbida en el impacto por la probeta usualmente se calcula
como la diferencia de alturas inicial y final del péndulo, esto supone,
obviamente despreciar algunas pérdidas por rozamiento). La fórmula de
cálculo para la energía de impacto es:
- W: es la energía empleada en la rotura en julios
- P es el peso de la masa del péndulo en N
- h: es la diferencia de altura inicial y final del péndulo
- L: es la longitud del péndulo en metros
- α1 y α2 son los ángulos que forma el péndulo con la vertical antes y después de soltarlo, respectivamente.
Finalmente, la resiliencia (KCV o KCU según la forma de la entalla) se calcula dividiendo la energía absorbida en el impacto entre el área de rotura de la probeta:
Donde:
- KCV o KCU es la resiliencia, según la forma de la entalla, medida en el sistema internacional en J/m2.
- W representa la energía absorbida en el impacto medida en Julios, que resulta ser la misma que la energía potencial que pierde el péndulo, en un ensayo con el péndulo de Charpy, y que puede ser calculada, por tanto, conociendo la diferencia entre la altura inicial de caída del péndulo y la altura que alcanza el péndulo posteriormente al impacto.
- S0 es el área de la sección de rotura de la probeta normalizada del ensayo. La probeta tiene una longitud de 55 mm y una sección de 10 mm x 10 mm. La entalla de la probeta puede tener forma de V o U con una profundidad de 2 mm (S0 = 80 mm2).
Los péndulos Charpy están normalizados, en la posición inicial disponen de una energía de 300 J y en el momento del impacto con la probeta, la velocidad del péndulo es de unos 5 m/s.
Los materiales tenaces absorben buena parte de la energía del péndulo antes de romper y tienen por tanto una alta resiliencia. Aunque es importante aclarar que la energía absorbida en el péndulo depende de la temperatura de la probeta de ensayo, ya que muchos metales disminuyen su tenacidad al disminuir la temperatura. Esto es lo que se denomina zona de transición entre una rotura frágil y una rotura dúctil en función de la temperatura.
Para finalizar, hay que dejar claro que la resiliencia no es exactamente lo mismo que la tenacidad, aunque están relacionadas, a mayor resiliencia, mayor tenacidad. La resiliencia la podemos definir como la energía consumida por unidad de superficie de la rotura (apenas existe deformación plástica), mientras que la tenacidad es la energía de deformación total (elástica y plástica) que puede absorber o acumular, un material antes de alcanzar la rotura en condiciones de impacto. La diferencia entre ambas radica en la deformación plástica, por lo que la tenacidad siempre será mayor que la resiliencia.
Por último, os dejo el enlace para la descarga del cuadernillo de problemas resueltos de ensayos de resiliencia del profesor de Tecnología D. José María Fernández Raya.
Vídeo de ensayo de impacto péndulo Charpy:
Fuente: Wikipedia
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