ENSAYOS DE IMPACTO

Carlos Daniel Cuba JaraFACULTAD DE METALURGIA-FACULTAD INGENIERIA METALURGICA MINAS Y GEOLOGICA DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE

INGENIERIA AV.TUPAC AMARU 210 RIMAC

AbstractEl ensayo de tracción estático nos da valores correctos de la ductilidad de un metal, no resulta preciso para determinar su grado de tenacidad o fragilidad, en condiciones variables de trabajo.

Los ensayos de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la fractura de la probeta de un solo choque, el que se refiere a la unidad de área, para obtener lo que se denomina resiliencia. Este nuevo concepto, tampoco nos ofrece una propiedad definida del material, sino que constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos realizados en idénticas condiciones, por lo que se debe tener muy en cuenta los distintos factores que inciden sobre ella.

En elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas, las que pueden aparecer circunstancialmente, su falla se produce generalmente, al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aún en aquellos metales considerados como dúctiles. En estos casos es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto

Keywords: tracción, resiliencia .

ENSAYOS DE IMPACTO

Objetivos:

Conocer el ensayo de impacto y la importancia que tiene para ver la resistencia que ofrece el material a los esfuerzos.

Conocer el procedimiento adecuado para la realización del ensayo de choque o impacto por el método de Charpy.

Analizar e interpretar los resultados obtenidos en este ensayo.

Fundamento Teórico.Ensayo de Choque o Impacto

Muchas máquinas y partes de ellas están sometidas comúnmente a cargas dinámicas; un tipo importante de carga dinámica es aquel en que la carga se aplica súbitamente como en el caso del impacto de una masa en movimiento. A medida que se cambia la velocidad de un cuerpo al golpear, debe ocurrir una transferencia de energía; se realiza trabajo sobre las partes que reciben el golpe. La mecánica del impacto involucra no solamente la cuestión de los esfuerzos inducidos, sino también una consideración de la transferencia de energía y la absorción y disipación de esa energía

Tipos de ensayo de impacto

Aunque la tenacidad de un material puede obtenerse calculando el área bajo el diagrama esfuerzo deformación, la prueba de impacto indicará la tenacidad relativa. Por lo general, para las pruebas de impacto se utilizan muestras tipo muesca. Dos tipos de muesca de tipo general se utilizan en pruebas de flexión por impacto: la muesca ojo de cerradura y la muesca en V. Asimismo, se utilizan dos muestras, la Charpy y la Izod, como se ve en la Figura 1

Tratamiento criogénico de materiales

En el área del tratamiento de materiales ha cobrado impulso el “Tratamiento Criogénico” (Dry Deep Cryogenic Treament) que consiste básicamente en someter a los materiales a temperaturas criogénicas (-196ºC), utilizando para ello nitrógeno líquido. Este método permitió obtener resultados positivos en la resistencia de diversos materiales, por ejemplo, aumento considerable de la resistencia al desgaste de los aceros rápidos, mejora en la resistencia a la fatiga del aluminio, incremento en la resistencia mecánica en los nylons y aumento de la conductividad eléctrica del cobre, entre otros. A partir de esta información, y de algunas consultas recibidas de la industria, el Centro de INTI-Mecánica consideró oportuno encarar un proyecto de investigación básica y aplicada en el tema. En primer lugar, se detectó que la aplicación iba por delante del conocimiento, dado que las empresas internacionales oferentes del servicio desconocían los mecanismos por los cuales se disparaban esas mejoras mecánicas. Si bien existían algunas presunciones, faltaba profundizar el estudio de los mecanismos que originaban tales mejoras.

Criogenia, estudio y utilización de materiales a temperaturas muy bajas. No se ha acordado un límite superior para las temperaturas criogénicas, pero el Instituto Nacional de Modelos y Tecnología de Estados Unidos ha sugerido que se aplique el término ‘criogenia’ para todas las temperaturas inferiores a -150 °C (123 K). Algunos científicos consideran el punto de ebullición normal del oxígeno (-183 °C) como límite superior. Las temperaturas criogénicas se obtienen por la evaporación rápida de líquidos volátiles o por la expansión de gases confinados a presiones de entre 150 a 200 atmósferas. La expansión puede ser simple, es decir, a través de una válvula que comunica con una región de menor presión, o tener lugar en el cilindro de un motor alternativo, donde el gas impulsa el pistón del motor. El segundo método es más eficiente, pero también es más difícil de aplicar.

Tras explorar en nuestro país los avances en la materia, se conoció que el Centro Criogénico de Alimentos de la Universidad de La Plata poseía un equipo muy parecido al que debía utilizarse en esta investigación y que ellos utilizaban para el tratamiento de frutas y vegetales. Se acordó realizar algunas pruebas con ese equipo, para lo cual fue necesario adaptar la rampa criogénica para el tratamiento de materiales. Cuando se comenzó con las pruebas se obtuvieron algunos resultados positivos, aunque todavía dispares ya que la cantidad de pruebas completadas no era relevante como para someterlas a un nivel estadístico que habilitara conclusiones definitivas.

Tipos de tratamientos en frío

Tratamiento Sub-zero: Consiste en enfriar el material por unas cuantas horas a -78ºC con la utilización de hielo seco. Este tratamiento solo cambia una parte de la austenita en martensita.

Tratamiento criogénico seco:

Es un tratamiento muy parecido al tratamiento criogénico, ya que utiliza nitrógeno, pero este solo se utiliza en estado gaseoso, y las temperaturas mínimas que puede alcanzar son alrededor de los -160ºC. Con éste tratamiento se logra cambiar mayor cantidad de austenita que con el sub.-zero, pero no se obtiene la precipitación de los llamados eta-carburos, que son indispensables para aumentar la resistencia al desgaste.

Tratamiento criogénico profundo:

Este es el tratamiento que ofrece CRYOSA y consiste en dos etapas: la seca, que va de temperatura ambiente a -160ºC y utiliza nitrógeno en forma de gas; y la húmeda, en la que se utiliza nitrógeno líquido para enfriar de -160ºC a -196ºC. Una vez que se alcanza esta temperatura criogénica, se mantiene entre 20 y 40 horas para asegurar la formación de toda la martensita y la precipitación de los eta-carburos

CRYOSA se encarga de que el material se mantenga a -196ºC durante más de 20 horas, ya que si no se cumple esta especificación, el tratamiento no mejora las propiedades del material como se podría esperar.

El proceso de CRYOSA El proceso de CRYOSA es el del tratamiento criogénico profundo, está basado en un ciclo térmico predeterminado que consiste en enfriar las herramientas/piezas en una cámara criogénica completamente controlada. El material se enfría lentamente hasta alcanzar –196ºC y se mantiene a esta temperatura durante 24 horas, luego regresa a temperatura ambiente sin añadir ninguna fuente externa de calor más que la convección natural. Este proceso, evita cualquier posibilidad de choque o esfuerzos térmicos ocasionados por cambios bruscos de temperatura. El ciclo del tratamiento criogénico completo dura aproximadamente 72 horas. Finalmente se aplica un revenido a 150°C.

El tratamiento criogénico no es un substituto de otros tratamientos térmicos para el acero, sino una extensión del ciclo de temple y revenido, en este caso, el ciclo criogénico también requiere de un bajo revenido. Es importante no confundir el tratamiento criogénico profundo con el tratamiento criogénico seco, el seco se comercializó con el fin de utilizar menos energéticos a costa de menor mejora en los materiales.

Materiales en la tecnología del hidrógeno La fragilización por hidrógeno ha sido definida

como la pérdida de resistencia y ductilidad inducida por el hidrógeno que puede derivar en la iniciación o

propagación de fracturas mecánicas. La interacción del hidrógeno con diferentes materiales es causa de fallo

prematuro en distintas situaciones tal y como sucede en los trenes de aterrizaje de los aviones, los depósitos de

combustible de refinerías y plantas químicas, las turbinas para la generación de energía eléctrica o las tuberías y

válvulas para el transporte de líquidos y gases.La fragilización por hidrógeno es especialmente devastadora debido a la naturaleza del fallo originado. Dicho fallo sucede a tensiones muy pequeñas (en comparación a las que serían necesarias en ausencia de hidrógeno), es bastante frágil y tiene un periodo de “incubación” tan variable que lo hace prácticamente impredecible.El problema de la fragilización por hidrógeno afecta a los tres sistemas básicos de cualquier industria que emplee el hidrógeno:

1. Producción

2. Transporte/Almacenamiento

3. Utilización

La elección de los materiales para el confinamiento del hidrógeno para una aplicación específica dependerá de la fiabilidad y coste que requiera el sistema.

Materiales empleados con el hidrógeno

Por las especiales propiedades del hidrógeno es importante conocer los efectos que producen dichas propiedades y las temperaturas criogénicas sobre el comportamiento de los distintos materiales.Existen distintos materiales que funcionan satisfactoriamente en las distintas condiciones de servicio. Estas condiciones pueden variar desde baja presión/baja temperatura hasta alta presión/alta temperatura. La sección del material dependerá de las condiciones de operación específicas.La selección de materiales deben considerar los siguientes conceptos:

Propiedades adecuadas para el diseño y condiciones de funcionamiento.

Corrosión y resistencia. Compatibilidad con el ambiente de trabajo. Toxicidad. Facilidad para su fabricación, montaje e inspección. Fragilización por hidrógeno. Disponibilidad del material y de los ensayos

realizados sobre él. Consecuencias del fallo del material. Cambio en las propiedades a temperaturas

criogénicas. Capacidad de exposición a las altas temperaturas de

un fuego por hidrógeno. Fragilización en frío. Contracción térmica.

No sólo se debe tener un especial cuidado con la selección de los materiales sino que además se deben llevar a cabo controles de calidad adecuados. A este respecto es conveniente observar ciertos aspectos:Los proyectistas deben manejar con cautela los valores de las propiedades que aparecen en los manuales convencionales ya que las condiciones de ensayo son muy variables especialmente en función de la temperatura

Si se desconoce si un material es compatible con el hidrógeno no debe ser empleado hasta que se hayan realizado las pruebas y análisis correspondientes que determinen su idoneidad.

Los materiales empleados deben ser compatibles con el hidrógeno bajo las condiciones de funcionamiento proyectadas (temperatura, presión, vibración) y cumplir con las especificaciones.

Las propiedades manejadas en el diseño deben estar basadas en pruebas que simulen las condiciones de servicio o las condiciones más desfavorables.

Los métodos de ensayo a los que someta el material para determinar su compatibilidad con hidrógeno deben incluir la exposición directa al hidrógeno.

Los materiales seleccionados deben pasar pruebas en las que se compruebe su comportamiento frente a los esfuerzos, la presión, la temperatura y la exposición al ambiente.

Se pueden encontrar valores de diseño en ASME BPVC (1995) acerca de las tensiones admisibles para los materiales empleados en depósitos a presión. En NASA 1997 Tabla A5.3 se encuentran las tensiones admisibles para los materiales más representativos de ASMI/ASME B31.3 (1996), las Tablas A5.4 (propiedades elásticas), A5.5 (propiedades mecánicas) y A5.6 (propiedades térmicas) proporcionan valores típicos a temperatura ambiente y a las temperaturas del hidrógeno líquido para los materiales susceptibles de emplearse con hidrógeno líquido.

Daños producidos por el hidrógeno Aunque la degradación producida por el hidrógeno puede aparecer bajo distintas formas los casos más importantes se agrupan en tres categorías, que pueden combinarse entre si:

Fragilización por reacción con el hidrógeno – (Formación de hidruros, formación de ampollas -, descarburación, ataque por hidrógeno).

Fragilización interna reversible fragilización por hidrógeno ambiental en ambientes hidrogenados que producen pérdida de ductilidad o rotura por tensiones.

Capitulo 2Procedimiento Experimental1.1 Materiales y equipos usados

Dos Probeta de acero SAE 1045 Equipo Charpy y Zwick/Roell

1.2 Procedimiento

Se prepara la probeta de acero SAE1020 de acuerdo a dimensiones establecidas por la ASTM. Se hace ensayos de pruebas para determinar la resistencia del aire Se coloca la probeta en el equipo para ensayo de impacto. Se acciona el equipo se toma los datos obtenidos.

Datos ExperimentalesInstrumento Zwick/Roell

Probeta W Energia Potencial

1 130.25 449.952 138.6 449.953 106.8 449.95

125.216667

Instrumento Charpy

Probeta W1 134.52 111.34

122.92

Determinar la grafica de energía absorbida sobre a temperatura a 25°CDeterminar la resiliencia energía absorbida y evaluar el área transversar y que tipo de probeta son astm e23 (a,b,c)Pendulo de CharpiAleaciones resistentes al impactoDescribir las aleaciones Criogenicas