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República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior
GRAN MARISCAL DE AYACUCHO FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO LABORATORIO DE
MATERIALES. Extensión de El Tigre.
UNIDAD II: ENSAYO CONFORMACION TECNOLOGICA PRACTICA Nº 8
INTEGRANTES: Ronald Ruiz Pérez C.I 15.375.642 FECHA04/06/2.012
DISEÑO DE UNA MATRIZ PARA TROQUEL DE DOBLADOSEGÚN UNA CURVA TRACTRIZ
Este trabajo se presenta una solución a un problema de la industria metalmecánica que surge en la producción de corazas de protección para candados blindados. Las corazas se fabrican a partir de un laminado de acero 1010 de espesor 3
mm, en una serie de troqueles de corte y doblado montados en prensas. El sistema estándar de doblado produce marcas antiestéticas en la coraza, debido a que la fuerza necesaria para el doblado vence la resistencia superficial de la lámina a la deformación. El nuevo diseño del perfil de la matriz de doblado según una curva tractriz, obtenida de una ecuación diferencial, ha permitido eliminar las marcas, ya que la lámina no desliza sobre la matriz, sino se dobla sin variar sus puntos de contacto con la matriz misma. Esta solución representa también un ejemplo de aplicación de la matemática a la ingeniería, de notable interés para la docencia. Palabras clave: Troquel de doblado, curva tractriz.
TROQUEL TRADICIONAL PARA DOBLADO.
PROBLEMAS ESTETICOS
Un troquel para producir piezas dobladas en “U” consiste básicamente en un punzón de ancho igual a la medida interna de la pieza final, y en una matriz formada por dos piezas separadas por una distancia igual a la medida externa de la pieza final (el ancho de punzón, más el doble del espesor de la lámina). La lámina que se va a doblar se apoya sobre la matriz; el punzón desciende sobre la lámina y la introduce en la matriz, doblándola al mismo tiempo. La porción de lámina en contacto con la superficie inferior del punzón se mantiene plana por medio de un prensa lámina inferior que tiene también función de extractor (ver figura 1). Para facilitar la introducción de la lámina, las aristas de la matriz se redondean según un cuarto de circunferencia de radio R (ver figura 1, detalle A). Cuando el punzón desciende, la porción central de la lámina que se va a doblar permanece aprisionada entre punzón y el prensa lámina, mientras cada porción lateral de la lámina, empujada contra la matriz, gira alrededor del eje representado por la esquina del punzón. El momento estático es igual a la fuerza multiplicada por el brazo, es decir la distancia entre su línea de aplicación y el eje de giro; en el instante inicial (cuando la lámina aún es plana) la fuerza se aplica en el punto donde la lámina hace contacto con la matriz, que es el punto de tangencia entre la circunferencia de redondeo de la matriz y la lámina. Por lo tanto el brazo de la fuerza es igual al radio R.Para un determinado material, la resistencia de la lámina al doblado depende básicamente de su espesor; por esto, el radio R es función del espesor de la lámina que se debe doblar. En la práctica, se utiliza un radio igual a 1-2 veces el espesor.
Se observa entonces que un radio grande en la matriz aumenta el momento estático y
facilita el doblado de la lámina, de donde se obtiene la disminución de la profundidad
de la marca; pero al mismo tiempo la superficie de la lámina que entra en contacto con
la matriz es mayor, por lo cual la marca es más extensa. Para eliminar las marcas, se
hizo necesario diseñar un perfil para la matriz que permita que la lámina al doblarse
mantenga constante su punto de contacto, evitando así las marcas de deslizamiento.
Esto se
obtuvo con una curva ampliamente conocida en matemáticas (ver por ejemplo Bell
1962 pág. 304, Thomas-Finney 1998 pág. 527, Zill 1997 pág. 94) y que
tradicionalmente se denomina tractriz
NUEVO PERFIL DE MATRIZ SEGUN UNA CURVA TRACTRIZ
La porción de recta tangente a una curva tractriz que está comprendida entre la tractriz
y el eje Y tiene longitud constante igual a k. El eje Y es asíntota de la tractriz (ver figura
3). Indicando con (x,y) un punto de la tractriz, con y’ la pendiente de la recta tangente a
la curva y con (0,a) la intersección de la tangente con el eje Y se tiene que y’ = (y-a)/x y
por el teorema de Pitágoras (y-a)² + x² = k² Sustituyendo se obtiene la ecuación
diferencial y´= ( k2 - x2 ) /x e integrando esta última se obtiene la ecuación de la curva
tractriz
x
k k x
y k x kLn2 22 2 + -= - - +
Para perfilar la matriz del troquel doblador se tomó una constante k igual a 10 mm (ver
figura 1, detalle B). Se calcularon las coordenadas de veinte puntos de la tractriz que se
introdujeron en el programa BOA de AGIESOFT para producir un perfil que aproxima la
tractriz con arcos de circunferencias y segmentos de recta. Luego se cortó la matriz
según ese perfil, con una máquina de control numérico
RESULTADOS
La matriz perfilada según la curva tractriz permite el doblado de la lámina sin
deslizamiento relativo. Esto resulta en la desaparición de las marcas en la coraza (ver
figura 2, candado en segundo plano). Es de hacer notar que en un troquel tradicional
(matriz redondeada según un cuarto de circunferencia) es suficiente una carrera del
punzón apenas superior al radio de la circunferencia, mientras con un perfil en forma de
tractriz la carrera aumenta considerablemente y esto incrementa el costo del troquel.
Por lo tanto, el perfil en forma de tractriz debe ser utilizado solamente cuando el
aspecto estético es esencial. Como beneficio adicional se obtuvo un interesante
ejemplo de aplicación de las ecuaciones diferenciales a la ingeniería, utilizable en la
docencia.
INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGIA
TEMARIO:
TIPOLOGÍA DE LAS PIEZAS DE CHAPA
TIPOS DE MATRICES
ELEMENTOS DE LAS MATRICES
TIPOS DE TRANSFORMACIÓN
CALCULOS DE APLICACIÓN EN LAS MATRICES
CONSTRUCCIÓN DE MATRICES
ANÁLISIS DE COSTES
TIPOLOGÍA DE LAS PIEZAS DE CHAPA
Tamaño
Geometría
Materiales
Tolerancias
Transformación
CAMPOS DE APLICACIÓN
Industria de AutomociónAeronáuticaNavalFerroviariaEléctricaElectrónicaInformática
¿QUÉ ES LA MATRICERÍA?
ÚTILES PARA LA TRANSFORMACIÓN DE PIEZAS DE CHAPA
Matriz
Troquel
Estampa
Molde
FACTORES DE INFLUENCIA EN LA ELECCIÓN
Geometría de la pieza a fabricar
Tamaño de la pieza
Características del material a transformar
Producción a realizar
Tolerancias de acabado
Características de la prensa
Nivel de presupuesto
CLASIFICACIÓN DE LAS MATRICES
Proceso de transformación
Manual
Semiautomática
Automática
Características constructivas
De puente
Con pisador
Coaxial o doble efecto
Progresiva
Ciclos de producción
De pruebas
De prototipos
De producción
MATRIZ DE PUENTE
1. ESPIGA
2. BASE S.
3. P. PUNZONES
4. PUNZÓN
5. P. PUENTE
6. CHAPA
7. BASE I.
8. P. MATRIZ
9. REGLAS GUÍA
10. COLUMNAS GUÍA
MATRIZ CON PISADOR
1. BASE INFERIOR
2. SUFRIDERA INFERIOR
3. PLACA MATRIZ
4. REGLAS GUÍA DE BANDA
5. PISADOR
6. PORTA PUNZONES
7. SUFRIDERA SUPERIOR
8. BASE SUPERIOR
9. PUNZÓN DE CORTE
10. RESORTE
11. CASQUILLO GUÍA
12. COLUMNA GUÍA
MATRICES DE 2ª OPERACIONES
Matriz de embutir 1
Matriz de embutir 2
Pieza obtenida
MATRIZ COAXIAL O DOBLE EFECTO
Recomendable para piezas que requieran una gran concentricidad entre diferentes
Punzonados.
MATRIZ PROGRESIVA
FINALIDAD
Transformar la banda, hasta dejar la pieza acabada.
TRANSFORMACIONES
Cortar, Doblar, Embutir, Recortar, Engrapar, Bordonar, Arrollar, Repulsar, Extrusiones,
Acuñar, Perfilar
CORTAR
Separación completa de una parte del material por medio de una herramienta.
POSIBLES ANOMALIAS EN PIEZAS
Rebabas
Desgarros
DEFECTOS CON TOLERANCIA INADECUADA
Rebabas en la pieza
Arranque de material
Desgaste excesivo de la matriz y punzón
Medidas incorrectas
Perfil poco definido
............
CAUSAS QUE LOS ORIGINAN
Materiales o tratamientos defectuosos
Montaje incorrecto de la matriz
Ajustes inadecuados
Técnicas de construcción deficientes
Mantenimiento inapropiado
Chapa de mala calidad
...........
DEFECTOS CON TOLERANCIA INADECUADA
Rebabas en la pieza
Arranque de material
Desgaste excesivo de la matriz y punzón
Medidas incorrectas
Perfil poco definido
CAUSAS QUE LOS ORIGINAN
Materiales o tratamientos defectuosos
Montaje incorrecto de la matriz
Ajustes inadecuados
Técnicas de construcción deficientes
Mantenimiento inapropiado
Chapa de mala calidad
DOBLAR
FACTORES A TENER EN CUENTA
La pieza no debe sufrir ningún movimiento durante el doblado.
Los radios de doblado serán como mínimo igual al espesor de la chapa.
Las superficies en contacto con la chapa estarán lisas y pulidas
EMBUTIR
Transformación de una chapa plana en un objeto hueco.
FORMAS
Cilíndrica
Rectangular
Cuadrada
Irregular
TIPOS DE EMBUTICIONES
Simple efecto
Doble efecto
Triple efecto
FACTORES A TENER EN CUENTA EN LAS EMBUTICIONES
La calidad y el espesor del material deben ser constantes
Los radios del punzón y la matriz los adecuados
Los diámetros y profundidades de las embuticiones proporcionales
La fuerza del pisador sobre la chapa la correcta
La velocidad de embutición la más idónea
La lubricación de la chapa la más apropiada
ENGRAPAR
APLICACIONES
Bidones
Latas
Recipientes
Ensamblaje de componentes
FORMAS
Redonda
Cuadrada
Rectangular
Ovalada
Irregular
MATERIALES
Buen límite elástico
Bajos espesores
BORDONAR
Dar forma de rizo en el borde exterior de un recipiente.
EFECTO
Dar más rigidez
Reducir la deformación
APLICACIÓNES
Recipientes de todo tipo
MEDIOS
Matrices
Máquinas especiales
TIPOS DE MATERIALES
Bajo espesor
ARROLLAR
Formar un ojal o rizo en el extremo de una chapa plana.
Relación: di = 1,5 · e
Siendo:
di = diámetro interior del arrollado
e = espesor de la chapa
APLICACIONES
Bisagras
Perfiles acanalados
Elementos giratorios
REPULSAR
VENTAJAS
Sin matriz
Bajo coste
Baja inversión
Útiles sencillos
APLICACIÓNES
Producciones pequeñas
Piezas de Menaje
Piezas de Decoración
Lámparas
Equipos de iluminación
MATERIALES
Hierro
Aluminio
Latón
Cobre
Espesores < 2 mm
EXTRUSIONAR
Extraer fuera de la matriz, el material blando de un disco inicial.
Altura obtenible:
h = 8 · ∅ D (para piezas de 8 a 60 mm)∅ ∅
h = 3 · ∅ D (para piezas de 60 a 100 mm)∅ ∅
Siendo:
D = Diámetro exterior del objeto
h = Altura máxima obtenible
MATERIALES
Gran plasticidad
Blandos
Dúctiles
Aluminio, plomo, estaño, etc.
APLICACIÓN
Tubos
Cápsulas
Botellas
Embases
PERFILAR
Formación sucesiva de un perfil en una tira chapa.
Espesores entre 0,4 y 3 mm.
VENTAJAS
Anulación de retales.
Rapidez de producción.
Simplicidad de útiles.
Poca mano de obra
Principales Componentes de las matrices
Base Superior e Inferior
Sufridera Superior e Inferior
Placa matriz o Matrices
Reglas de guiado de chapa
Pisador o Prensa chapas
Porta Punzones
Punzones
Centradores
BASE SUPERIOR E INFERIOR
CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO
Buen guiado.
Medidas adecuadas para su fijación en prensa.
Espacio suficiente para acceder a todos los elementos.
Espesor y resistencia.
Facilidad de montaje de los portapunzones
Alineación con el bloque inferior de la matriz
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Fundición
Acero
Hierro
SUFRIDERA O PLACA DE CHOQUE
Su misión es impedir que las cabezas de los punzones se claven en las bases.
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Ac. F-522 Temp. y Rev. HRc. 56 ÷ 58
Ac. F-114 Temp. y Rev. HRc. 50 ÷ 52
CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS
Buen tratamiento térmico.
Espesor adecuado.
Resistencia a la rotura
MATRICES Y PUNZONES
CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS
Acabados de calidad
Ajustes de precisión
Tratamientos adecuados
Max. precisión punzón-matriz
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Materiales tenaces Resistencia al desgaste.
REGLAS GUÍA
MISIÓN
Guiar la banda dentro de la matriz.
CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS
Resistencia al desgaste.
Anchura de guiado suficiente.
Altura según banda y pieza a transformar.
Facilidad de construcción y mantenimiento.
Acabados de calidad media.
PISADOR O PRENSA CHAPAS
MISIÓN
Mantener la chapa plana antes,
durante y después del corte.
ESPESOR RECOMENDADO
e = 0.4 · h
e = espesor de la placa
h = altura de punzones
CARACTERÍSTICAS
Máx. Perpendicularidad de la cara de apoyo y los alojamientos de punzones
Ajuste de calidad H7
Buena % Fuerza extracción (aprox. 10de corte)
PORTAPUNZONES
ESPESOR RECOMENDADO
e = 0.33 · L
e = espesor de placa
L = longitud de punzón
CARACTERÍSTICAS
Perpendicularidad entre la cara de apoyo y los alojamientos de los punzones
Buen ajuste de los punzones
Facilidad de mantenimiento
PILOTOS CENTRADORES
MISIÓN
Centrar la banda (o la pieza) para garantizar una correcta transformación.
CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS
Precisión de centraje (0.05 < que alojamiento)
Superficies rectificadas
Tratamientos y acabados de calidad
CÁLCULOS TÉCNICOS
Fuerza de corte
Fuerza de extracción
Tolerancia de corte
Fuerza de doblado
Factor de retorno del material
Cálculo de la fibra neutra
Desarrollos de cuerpos embutidos
Número de embuticiones
Presión del prensa-chapas
TOLERANCIA DE CORTE
La tolerancia vendrá determinada por dos factores:
El espesor del material.
La resistencia al corte del propio material (Kg. mm2).
FACTOR DE RETORNO
Valor que la chapa tiende a recuperar después de la acción del punzón.
FACTORES DE INFLUENCIA
El ángulo de doblado
La resistencia del material
El espesor de la chapa
El radio de plegado
FIBRA NEUTRA
Zona del material que no está sujeta ni a tracción ni a compresión.
Cálculo necesario para conocer el desarrollo de las piezas dobladas.
CÁLCULO DE EMBUTICIONES
Determinación de las dimensiones de la chapa antes de embutir el objeto.
FINALIDAD
Economía de material
Facilidad de embutición
Reducción del número de útiles
Capacidad de embutición
Número de transformaciones
OPERATIVA
Calcular el diámetro inicial del objeto a embutir
Calcular las medidas del primer diámetro y primera altura a obtener
Aplicar las sucesivas reducciones posteriores
PLANIFICACIÓN DEL PROYECTO DE UNA MATRIZ
FASES DE REALIZACIÓN
Estudios y análisis previos al proyecto
Creación del «método plan»
Anteproyecto
Proyecto.
ESTUDIOS PREVIOS AL DISEÑO DE LA MATRIZ
VALORACIONES
Planos y documentación de la pieza
Características del material
Tolerancias, recubrimientos, tratamientos térmicos, etc
Plazo de entrega de las primeras muestras o prototipos
Plazo de entrega de la matriz
Producción anual.
«MÉTODO PLAN»
VALORACIONES
Tipo de matriz a construir (manual o progresiva)
Número de matrices necesarias
Tamaño aproximado de las matrices
Consumos de materia prima
Producciones aproximadas realizables
Sentido de las rebabas en la pieza
Producción de una o más piezas por golpe
Tipo de prensa necesaria
Medios auxiliares.
ANTEPROYECTO
VALORACIONES
Aplicación de los datos aprobados en el estudio y el método plan
Cálculos técnicos
Paso y ancho definitivos
Dimensionado general
Situación de particiones de placas y postizos
Embridaje de la matriz
Situación de columnas y casquillos guía
Alimentación de la chapa y evacuación de piezas
Previsión de normalizados.
PROYECTO
VALORACIONES
Aplicación de los datos aprobados en el anteproyecto
Normas del cliente
Producciones a realizar
Materiales de construcción a realizar
Tratamientos térmicos
Normalizados
Tolerancias de corte, doblado o embutición
Evacuación de piezas y retales
Casquillos o punzones de cambio rápido
Placas o casquillos auto lubricantes
Detectores de avance y salida de pieza
Troceadores de retal
Limadores de cierre y de almacenaje
Protecciones de seguridad
Placas de insonorización
Etc.
PROYECTO FINAL
VALORACIONES
Número de fases y descripción de la transformación
Espesor del material
Tipo de prensa destinada
Carrera aproximada de trabajo
Alimentación y evacuación de pieza
Indicaciones adicionales
Tipo de material a transformar
Ancho de banda
Paso de la matriz
Cálculos técnicos.
VALORACIÓN DE COSTES
Estudios CAE de la pieza
Estudio del proceso de transformación de la pieza
Número de utillajes necesarios para su fabricación
Realización del proyecto en CAD de la matriz
Realización gráfica del despiece y planos auxiliares
Tamaño de las matrices
Componentes a mecanizar
Cantidad y calidad de materiales y tratamientos térmicos
Elementos normalizados a utilizar
Programas y herramientas CAM necesarias
Tiempos de trabajo
Horas de mecanizado en fresadora, torno, taladros, erosión, C.N.C., etc.
Montaje y ajuste de matriz
Pruebas y puesta a punto de la herramienta
Homologación y transporte final de la matriz
VALORACIÓN DE COSTES
Materiales y aceros de construcción
Tratamientos térmicos y recubrimientos
Elementos normalizados
Máquinas herramienta y sus capacidades de producción
Tiempos y características de los mecanizados
Las dificultades de mecanizado
Los errores humanos
La fatiga
El estado de las máquinas
Las habilidades del personal
Las herramientas
Los conocimientos del trabajo,
Erosiones.....Erosión de penetración Erosión de hilo
Rectificadoras...........Rectificadora universal
Rectificadora tangencial Rectificadora de perfiles
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GRAN MARISCAL DE AYACUCHO FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO LABORATORIO DE
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UNIDAD II: ENSAYO CONFORMACION TECNOLOGICA PRACTICA Nº 11/12
INTEGRANTES: Ronald Ruiz Pérez C.I 15.375.642 FECHA04/06/2.012
En este trabajo se presentan algunos resultados interesantes de pruebas de impacto Charpy. A través del comportamiento a la fractura de diversos metales y polímeros, han sido analizados, de una forma didáctica, diversos factores, tales como:
el incremento de la velocidad de Impacto, la presencia de entallas y la transición dúctil frágil con el decrecimiento de la temperatura. Descriptores: Prueba de impacto Charpy; pruebas mecánicas; efecto de los tratamientos en los materiales
• Introducción
La primera opinión que tenemos al observar el péndulo de Charpy, es que se trata de una máquina de ensayo muy simple desde el punto de vista mecánico (Fig. 1). Sin embargo, a pesar de esa sencillez mecánica, con este instrumento se pueden diseñar varias pruebas de impacto donde se demuestra de forma rápida y didáctica, la influencia que tienen determinados factores en el comportamiento mecánico de los materiales. El nombre de este ensayo se debe a su creador, el francés Agustín Georges Albert Charpy (1865-1945). A través del mismo se puede conocer el comportamiento que tienen los materiales al impacto, y consiste en golpear mediante una masa una probeta que se sitúa en el soporte S (ver Fig. 1). Lamasa M, la cual se encuentra acoplada al extremo del péndulo de longitud L, se deja caer desde una altura H, mediante la cual se controla la velocidad de aplicación de la carga en el momento del impacto. La energía absorbida Ea por la probeta, para producir su fractura, se determina a través de la diferencia de energía potencial del péndulo antes y después del impacto. Una vez conocido el ´ángulo inicial de aplicación de la carga (®) y el ángulo final (¯) al que se eleva el péndulo después de la rotura completa de la probeta, se puede calcular la energía Ea mediante la expresión (1): Ea = MgL[cos(¯) ¡ cos(®)]; (1), donde g representa la aceleración de la gravedad. Los modos de fractura que pueden experimentar los materiales se clasifican en dúctil o frágil, dependiendo de la capacidad que tienen los mismos de absorber energía durante este proceso. Actualmente no existe un criterio único para determinar cuantitativamente cuando una fractura es dúctil o frágil, pero todos coinciden en que el comportamiento dúctil está caracterizado por una absorción de energía mayor que la requerida para que un material fracture frágilmente. Por otra parte el comportamiento dúctil tiene asociado altos niveles de deformación plástica en los materiales. De acuerdo con la expresión (1), dos de los factores que determinan la energía máxima que se puede suministrar en el momento del impacto son: el valor de la masa M y la longitud de brazo L. Es por ello que existen diversos diseños de máquinas para pruebas de impacto Charpy, en los que combinando los dos factores anteriormente mencionados se logran construir péndulos que son capaces de brindar una energía de impacto máxima de » 358 Julios, como es el caso del modelo Tinius Olsen (M = 27.2 kg L = 0.9 m) [2], con el que se realizan ensayos en aceros muy tenaces. Sin embargo, para materiales más frágiles, los cuales tienen una energía de fractura baja, se puede utilizar el diseño Instron Wolpert (M = 2.02 kg L = 0.390 m) [2,3], con el que se puede llegar a suministrar una energía máxima de 15 Julios.Las pruebas de impacto Charpy se realizan según normas internacionales en las cuales se detallan las dimensiones de las probetas empleadas en este tipo de ensayo, así como la forma de reportar los resultados de los mismos. De acuerdo con las normas ISO (International Organization for Standa
FIGURA 1. Péndulo de Charpy a) antes del impacto y b) después del impacto.
Desde el punto de vista de la ingeniería es muy importante, y en ocasiones imprescindible, conocer cuál sería el comportamiento mecánico de los materiales, cuando se encuentran expuestos a condiciones extremas de servicio. Es por ello que muchos de los ensayos de impacto se realizan en condiciones en las cuales se favorece la fractura frágil. Entre los factores que contribuyen a modificar el modo de fractura y que se pueden estudiar mediante el ensayo de impacto Charpy se encuentran: La velocidad de aplicación de la carga, la cual se controla variando el ángulo ®. La presencia de concentradores de tensiones, lo cual se logra mecanizando una entalla en la probeta del material a estudiar (ver Fig. 2).
Así como el impacto en materiales expuestos a diferentes temperaturas. Este último factor es el responsable que determinados materiales experimenten una transición dúctil frágil con la disminución de la temperatura. Para determinar el intervalo de temperaturas en el que se encuentra esa transición se suelen realizar los ensayos Charpy a distintas temperaturas con la ayuda de un sistema de calentamiento y enfriamiento acoplado al péndulo, lo cual permite controlar in-situ la temperatura de la probeta [6]. En su defecto, cuando no se dispone de tal mecanismo y se desea evaluar comportamientos mecánicos extremos, las muestras se pueden sumergir en baños a diferentes temperaturas con el atenuante de que no existe un control exacto de la temperatura a la cual se realizael ensayo y con el cuidado de realizar la prueba de impacto lo más rápido posible (después de que la probeta haya recibido el tratamiento deseado), para evitar que las muestras experimenten grandes gradientes de temperatura. Durante la realización de esta práctica, evaluaremos la influencia que tienen los tres factores anteriormente mencionados en el comportamiento mecánico de los materiales.
2. Realización de la práctica
La máquina de ensayo de impacto Charpy está acoplada a un ordenador mediante una tarjeta de adquisición de datos, a través de la cual es posible registrar las curvas fuerza-tiempo generada durante los ensayos, y a su vez nos permite obtener el valor de la energía absorbida por los materiales en el proceso de fractura. Las probetas usadas en nuestros experimentos tienen forma de paralelepípedos con una sección transversal de 1x1 cm2 y 8 cm de longitud. Las entallas realizadas a las probetas tienen una profundidad de 3 mm y el radio de las mismas es variable (Fig. 2). Las probetas con entalla deben colocarse en el soporte S, de forma tal que el lado de la entalla quede opuesto a la cara de la probeta que estará directamente expuesta al impacto del péndulo.
2.1. Influencia de la velocidad del impacto
Para este estudio se usan 3 probetas de Nylon y 3 probetas de PVC a las cuales se les realizan los ensayos bajo diferentes ´ángulos de carga. El objetivo de este apartado es evaluar la resistencia que ofrecen los materiales cuando se aumenta la velocidad a la cual ocurre el impacto (Tabla I).
TABLA I. Relación entre el ´ángulo de carga y la velocidad del impacto. Ángulo de carga (®) Velocidad del impacto (m/s)80 ± 2.55100 ± 3.03
110 ± 3.24120 ± 3.42139 ± 3.71FIGURA 2. Probetas usadas en el ensayo Charpy a) detalle de la entalla b) dimensiones de las probetas empleadas en este trabajo. El radio de la entalla se define como la anchura del radio de curvatura de la entalla.
FIGURA 3. Resultado de los ensayos Charpy variando el ángulo de carga a) Nylon b) PVC .PRUEBA DE IMPACTO: ENSAYO CHARPY 53
FIGURA 4. Distribución de esfuerzos en el entorno de una entalla dependiendo del radio de la entalla.
FIGURA 4. Distribución de esfuerzos en el entorno de una entalla dependiendo del radio de la entalla
FIGURA 5. Entallas realizadas a las probetas de PVC.Es conocido que cualquier proceso de fractura consta de dos estados: la formación y la propagación de una grieta, para lo cual se requiere una determinada absorción de energía [7]. A su vez, el modo de fractura depende en gran medida del mecanismo de propagación de esa grieta. En el caso de las probetas de nylon se les han realizado entallas de igual radio, con el objetivo de simular la evolución de la rotura parcial del material. En la Fig. 3a se observa que el tamaño de la grieta producida tras el impacto es cada vez mayor a medida que la velocidad de aplicación de la carga aumenta. Esto se puede explicar si tenemos en cuenta que a medida que aumentamos el ángulo desde el cual se realiza el ensayo, la energía transmitida durante el impacto es mayor, por lo cual la probeta puede absorber mayor energía, la cual se emplea en la propagación de la grieta.
De la Fig. 3b se puede observar que aunque la energía suministrada en los tres casos no es suficiente para producir la fractura de ninguna de las probetas de PVC sin entallas, todas presentan un comportamiento dúctil y se deforman. La mayor deformación se corresponde con el ensayo que ha sido realizado desde el ángulo mayor (® = 139±). Como comentamos en el párrafo anterior, al aumentar la energía transmitida en el impacto, la probeta puede absorber mayor energ´ıa, lo cual provoca, en este caso, que el grado de deformación del material sea mayor. Este resultado demuestra que independientemente de cuál sea el mecanismo que propicia la deformación de la probeta, el comportamiento dúctil se caracteriza por una absorción de energ´ıa que posibilita que el material experimente una deformación plástica. En la Fig. 3b también se puede apreciar que la zona blanquecina que aparece en las probetas de PVC aumenta de Tamaño, con el aumento del ángulo de carga como consecuencia de la mayor tensión recibida en el impacto.
FIGURA 5. Entallas realizadas a las probetas de PVC.
2.2. Influencia del radio de la entalla
Las entallas provocadas por un mecanizado, fabricación o diseño deficientes, ocasionan una concentración de esfuerzos en zonas localizadas de los materiales. Por otra parte, la fractura comienza en los sitios donde la concentración de tensiones es mayor [8]. Es por ello que las entallas o grietas presentes en un material conllevan un aumento en fragilidad.La intensidad del esfuerzo en el extremo de una grieta depende tanto de las tensiones aplicadas como de la geometría y dimensiones de dicha grieta. En la Fig. 4 apreciamos que la distribución de esfuerzos en el entorno de una entalla aumenta a medida que nos acercamos al extremo de la misma, y por otra parte, la mayor concentración de esfuerzos está localizada en el extremo de las entallas más aguzadas (las que tienen un radio menor,
(Fig. 4a) [8]. En este apartado queremos demostrar esa relación, a través de la energ´ıa absorbida por las probetas en el proceso de fractura. El material usado para ello es el PVC y las entallas se realizaron manualmente en el laboratorio, con una segueta, una sierra y una amoladora, lo cual nos garantiza que los radios de las entallas sean de 0.5, 1 y 3 mm, respectivamente (Fig. 5). En cada uno de los casos se tuvo especial cuidado en que la profundidad de las entallas fuesen idénticas e igual a 3mm.La fig. 6 muestra las curvas fuerza-tiempo de estos tres ensayos. El área encerrada bajo estas curvas es proporcional a la energ´ıa absorbida por las probetas en la fractura. Los resultados de los ensayos revelan que la energ´ıa absorbida es de 0.28, 1.06 y 4.91 J, para las probetas cuyas entallas tienen radios de 0.5, 1 y 3 mm, respectivamente. Este resultadoevidencia que la fractura total de la probeta que tiene un radio de entalla menor es más favorable desde el punto de vista energético. De la Fig. 6 se puede apreciar que la fuerza máxima requerida para que se produzca la fractura de la probeta con r = 0.5 mm es aproximadamente 1.6 veces menor que la que se requiere para producir la fractura de las probetas con radio de entalla mayor. De acuerdo con el esquema de la Fig. 4, vimos que la amplificación del esfuerzo aplicado es mayor para los materiales que poseen entallas con un radio más pequeño, es por ello que en esos casos se requiere una menor fuerza para que ocurra la rotura total, lo cual se traduce en un menor esfuerzo.El tiempo durante el cual se mantiene en contacto la masa del péndulo con la probeta, se puede determinar a partir de las curvas fuerza-tiempo. Este tiempo coincide con la regiónFIGURA 6. Curvas Fuerza-tiempo para probetas de PVC con diferentesradios de entalla (0.5, 1 y 3 mm). de estas curvas en la cual la fuerza registrada es distinta de cero (sin tener en cuenta las pequeñas oscilaciones que se producen en la fuerza en torno a cero después de la rotura de la probeta). Analizando las curvas de la Fig. 6, se puede determinar que el tiempo requerido para producir la fractura es de 0.5, 0.7 y 25 ms aproximadamente, para las probetas cuyas entallas tienen un radio de 0.5, 1 y 3 mm, respectivamente. A partir de estos resultados podemos intuir que la velocidad de propagación de una grieta es mayor en el extremo de las entallas más aguzadas.
2.3. Influencia de la temperatura. Transición de dúctil frágil
A pesar de que todos los factores que condicionan el modo de fractura de los materiales tienen una gran importancia, el efecto de la temperatura es tal vez, entre todos ellos, elmás conocido. Esto se debe a que algunas de las catástrofes estructurales más divulgadas, ocurridas en el siglo pasado, están relacionadas con la transición dúctil frágil que experimentan algunos materiales al disminuir la temperatura.En los materiales puros, la transición dúctil frágil debe ocurrir a una temperatura determinada, sin embargo para muchos materiales esa transición ocurre en un rango
amplio de temperaturas el cual está dado por la composición específica de cada material.Como ya hemos visto a lo largo de este estudio, el comportamiento dúctil de un material viene acompañado de una deformación plástica y de una absorción de energ´ıa considerable. El mecanismo mediante el cual los materiales son capaces de absorber energ´ıa mientras se deforman, depende concretamente de su estructura interna. Es por ello que analizaremos inicialmente los materiales con estructura cristalina (metales) y seguidamente los polímeros.2.3.1. MetalesEn el caso de los metales o aleaciones, el flujo plástico que posibilita que estos materiales se deformen es consecuencia del movimiento de las dislocaciones. Este movimiento a su vez está relacionado con el número de sistemas de deslizamiento que se encuentren activos a una temperatura dada. Es por ello que la combinación temperatura-tipo de estructura cristalina, determina la magnitud en la que se puede manifestar la transición dúctil frágil. Si el esfuerzo requerido para mover una dislocación es muy alto, el metal fallará debido a la propagación de una grieta y la fractura será frágil. Generalmente los sistemas de deslizamiento coinciden con los planos más compactos de los distintos sistemas cristalinos, lo cual no ocurre en los metales que tienen una estructura cúbica centrada en el cuerpo como el Fe. Estos metales suelen fallar de forma frágil a temperaturas relativamente bajas y tienen un comportamiento dúctil a temperaturas altas.A partir de las curvas esfuerzo-deformación mostradas en la Fig. 7 [8], obtenidas de ensayos de tracción realizados al Fe a diferentes temperaturas, se observa que existe un aumento considerable del límite elástico a medida que disminuye la temperatura del ensayo. Este aumento del límite elástico, junto con la disminución de la velocidad de las dislocaciones a medida que disminuye la temperatura, conducen a fragilizar el material. Para demostrar la existencia de estos dos comportamientos mecánicos diferentes que puede tener el Fe, hemos ensayado dos probetas de Fe con entallas idénticas. Un ensayose realizó a temperatura ambiente y el otro después de haber sumergido una de las probetas en nitrógeno líquido. Estas dos temperaturas garantizan que estemos a ambos lados de la temperatura de transición dúctil frágil del Fe. Es importante que todos los ensayos que se realizarán en este apartado a temperaturas distintas de la temperatura ambiente, se ejecuten de forma rápida para garantizar que la temperatura de las probetas no varíe mucho después de los tratamientos. Los resultados de ambos ensayos se muestran en la Fig. 8, donde se observa que el ensayo realizado a temperatura ambiente(a), solamente ha provocado una deformación de la FIGURA 7. Curvas esfuerzo-deformación para el Fe a diferentes temperaturas.FIGURA 8. Resultado de los ensayos Charpy a diferentes temperaturas para el Fe y el Al a) y c) temperatura ambiente, b) y d) baja temperatura. Probeta (comportamiento dúctil), mientras que la probeta previamente sumergida en nitrógeno líquido (b) ha fracturado completamente (comportamiento frágil). Son muchos los factores de los cuales depende el esfuerzo que se requiere para mover una dislocación, entre los que se encuentran el tipo de enlace atómico y el tipo de estructura cristalina, entre otros. En los metales con estructura cristalina (cúbica centrada en caras), el esfuerzo requerido para mover las dislocaciones, no depende fuertemente de la temperatura. Por lo tanto, el movimiento de las dislocaciones permanece alto aun a bajas temperaturas y el material sigue siendo relativamente dúctil. En los ensayos realizados a probetas de aluminio a temperatura ambiente (c) y después de haber sido sumergidas en nitrógeno líquido (d), se observa que en ninguno de los casos se produce la fractura del material, pero si se observa que ha ocurrido una deformación plástica, la cual es típica de un comportamiento dúctil. 2.3.2. Polímeros, los polímeros son moléculas que están formadas por grupos funcionales (monómeros) que se repiten a lo largo de su
estructura, la cual puede ser ramificada o lineal. Esos monómeros se componen básicamente de hidrocarburos (CxHy) y la forma que tienen estas estructuras de disipar la energ´ıa absorbida en un impacto es fundamentalmente mediante rotaciones que se producen en torno a determinados enlaces. El módulo elástico de los polímeros puede sufrir variaciones considerables con la temperatura, por lo cual los polímeros también pueden experimentar una transición dúctil frágil al igual que determinados metales y aleaciones. La temperatura vítrea de cada polímero delimita la frontera entre ambos comportamientos y la misma depende de la composición específica de las cadenas poliméricas.
En la Fig. 9, vemos los resultados de los ensayos realizados a tres polímeros: nylon, PVC y metacrilato. Para el caso del nylon y del PVC se observa que ambos tienen un comportamiento dúctil a temperatura ambiente (b y d) y al ser sumergidos en nitrógeno líquido fracturan completamente (a y c). Sin embargo la rotura total del metacrilato ocurre a temperatura ambiente (e) mostrando un comportamiento frágil. Teóricamente para lograr observar un comportamiento dúctil y evitar la fractura de este material es necesario que la temperatura de la probeta esté por encima de los 50 ±C (f) [7], para lo cual se introdujo previamente en un horno en torno a los 150±C.
3. Fallos mecánicos reales relacionados con estos factoresEjemplos de catástrofes producidas por la combinación de varios factores, entre ellos el efecto de la transición dúctil frágil, los encontramos tanto en aleaciones como en polímeros:
FIGURA 9. Resultado de los ensayos Charpy a diferentes temperaturas para el Nylon, PVC y metacrilato a, c) baja temperatura, b, d, y e) temperatura ambiente y f) alta temperatura.FIGURA 10. Rampa de lanzamiento del trasbordador Challenger, donde se puede observar la presencia de hielo. 1942, conllevando a que algunos de estos buques se partieran literalmente en dos. Entre las causas de estos fallos se encontraba la presencia de un diseño inadecuado de las uniones soldadas, lo que contribuía a la presencia de altos niveles de concentraciones de esfuerzos en zonas localizadas [9]. Esto unido al comportamiento frágil del acero a bajas temperaturas inducia la propagación de grietas que provocaba la fractura de su estructura. Otro caso ocurrido previamente fue el hundimiento del Titanic en el año 1912. El acero utilizado en su construcción era el mejor de su época, sin embargo hoy en día no pasaría las pruebas más elementales de calidad, producto del alto contenido de impurezas que contenía [9]. Ese alto contenido de impurezas provoca que la resistencia del acero a la fractura sea baja, y especialmente en condiciones de baja temperatura su ductilidad se ve reducida. Por lo cual todos estos factores influyeron negativamente al ocurrir el impacto del Titanic con el iceberg en aguas heladas, lo que conllevó a su posterior hundimiento. Un hecho más reciente ocurrido en el año 1986, fue la explosión del trasbordador Challenger. En este caso la baja resiliencia (capacidad de absorción de energ´ıa en la zona elástica de la curva esfuerzo-deformación) de los anillos (polímeros elastómeros) que cumplían la función de sellar las zonas seccionadas de los cohetes propulsores, produjeron que los gases generados por la combustión salieran al exterior e incidieran en el tanque de combustible principal, lo cual provocó la explosión del Challenger. Los anillos conocidos como “O ring”, por su forma, son construidos de materiales elastómeros. Este material se emplea en su fabricación con el objetivo de que sean capaces de deformarse elásticamente, “siguiendo” las dilataciones que se producen dentro de la zona seccionada de los cohetes propulsores. Sin embargo al disminuir la temperatura la poca capacidad de movimiento de sus cadenas poliméricas conllevó a aumentar la rigidez de estos anillos, disminuyendo la rapidez de su “respuesta”.
Aunque esta causa de forma aislada no fue la única que condujo al desastre, si jugó un papel fundamental en su desencadenamiento, conclusión a la cual llegó Feynman al observar posteriormente a través de fotos (Fig. 10) las condiciones en las que se encontraba la rampa de lanzamiento momentos antes de ocurrir la tragedia.
4. Conclusión
Los experimentos que se pueden realizar con el péndulo de Charpy pueden ser muchos, tantos como nos permita nuestra imaginación. Es por ello que los que han sido expuestos en este estudio, solamente representan un número muy pequeño, de todos los que se podrán diseñar para establecer una relación entre la estructura interna de los materiales y su comportamiento a la fractura, como podría ser: el tamaño del grano, la composición de la aleación y la presencia de precipitados, entre otros. A modo de conclusión, más que enumerar algunos de los conocimientos aquí expuestos, deseo expresar que muchas veces los hechos naturales, lamentables en algunos casos, nos ayudan a reflexionar sobre temas en los que de forma espontanea somos incapaces de analizar, a pesar de estar en contacto con ellos cotidianamente: es por eso que la curiosidad en la ciencia es una actitud necesaria. Y finalizo recordando que en la ciencia como en la vida, en la sencillez de las explicaciones radica la belleza: tal vez por el dinamismo que ambas encierran.
II. REPRESENTACION ESQUEMATICA DEL ENSAYO. PROBETAS (incluir todas las dimensiones)
