Prueba de impacto Charpy:cómo mide la dureza del material, procedimiento e interpretación

La prueba de impacto Charpy se desarrolló por primera vez en el siglo XX para avanzar en la comprensión de por qué los materiales fallan prematuramente. La prueba Charpy determina cuánta energía absorbe un material durante la fractura, conocida como energía de impacto, y se utiliza para evaluar la resistencia al impacto Charpy de un material. La prueba es comparativa, lo que significa que las resistencias al impacto de varios materiales se comparan entre sí, siempre que se hayan probado utilizando el mismo estándar. El procedimiento de prueba de impacto Charpy implica golpear una muestra con muescas con un péndulo oscilante. La altura del péndulo antes y después del impacto se utiliza para determinar cuánta energía absorbió la muestra. La prueba ayuda a evaluar la tenacidad de la entalla, lo que indica la resistencia de un material a la fractura en la ubicación de la entalla.

La prueba de impacto Charpy es un método utilizado en las pruebas de materiales para medir la resistencia al impacto, que responde a la pregunta:¿Qué es la prueba Charpy? Determinando cuánta energía absorbe un material durante la fractura. La energía absorbida durante la prueba se mide por la diferencia de altura antes y después del impacto, y el resultado depende de las características de la muestra de prueba de impacto Charpy.

¿Qué es la prueba de impacto Charpy?

La prueba de impacto Charpy se utiliza para medir la capacidad de un material para absorber energía durante la fractura. La prueba de impacto Charpy se realiza golpeando una muestra con muescas con un péndulo oscilante. La cantidad de energía absorbida durante el impacto está determinada por la diferencia de altura antes y después del balanceo. La prueba tiene como objetivo evaluar la resistencia al impacto de un material, específicamente su resistencia a la fractura frágil bajo altas tasas de deformación. La prueba de impacto Charpy es esencial para comprender cómo se comportan los materiales en condiciones del mundo real (temperaturas extremas o impactos repentinos). La prueba Charpy mide la dureza de los materiales probando su respuesta a fuerzas repentinas.

La definición de prueba de impacto implica comparar la energía absorbida por diferentes materiales en condiciones estandarizadas.

¿Cuál es la historia de la prueba de impacto Charpy?

La historia de la prueba de impacto Charpy se remonta a principios del siglo XX, cuando se desarrolló para comprender mejor la falla del material bajo un impacto repentino. La prueba de impacto Charpy fue inventada por George Augustin Albert Charpy en 1901. La prueba se creó para descubrir por qué las máquinas (calderas de vapor, máquinas de vapor y armamento militar) fallaban prematuramente. Charpy mejoró el enfoque basado en el péndulo desarrollado por primera vez por S.B. Russell. Descubrió que agregar una muesca a la muestra ayudó a mejorar la precisión y sensibilidad de la prueba. La prueba lleva el nombre de Charpy, ya que fue responsable de varios esfuerzos de estandarización y mejoras técnicas. 

¿Cuál es la importancia de la prueba de impacto Charpy?

La importancia de la prueba de impacto Charpy es que proporciona información valiosa sobre la capacidad del material para resistir fuerzas o impactos repentinos. La prueba es necesaria en ingeniería de materiales porque ayuda a determinar la dureza y confiabilidad de los materiales en entornos sujetos a cargas rápidas o fluctuaciones de temperatura. Comprender la resistencia al impacto Charpy de los materiales impresos garantiza que las piezas impresas soporten tensiones del mundo real sin fallar en la impresión 3D. La prueba desempeña un papel en el diseño mecánico, donde los materiales deben elegirse por su capacidad para resistir la fractura bajo cargas inesperadas. La prueba de impacto Charpy evalúa la tenacidad de la entalla, que mide la capacidad de un material para resistir la propagación de grietas en el sitio de una entalla, lo que la hace esencial para seleccionar materiales para aplicaciones donde la falla tiene consecuencias catastróficas.

¿Cómo calcular la prueba de impacto Charpy?

Para calcular la Prueba de Impacto Charpy hay cuatro pasos a seguir. Primero, configure la prueba asegurando la muestra de prueba de impacto Charpy en su lugar debajo del péndulo. En segundo lugar, suelte el péndulo y permita que golpee la muestra con muescas. En tercer lugar, mida la altura del péndulo antes y después del impacto para determinar cuánta energía se absorbió. Por último, utilice la fórmula de la prueba de impacto Charpy para calcular la energía absorbida por la muestra, que es la diferencia de energía potencial menos las pérdidas de energía debidas a la fricción y la resistencia del aire. Se realiza utilizando la fórmula de la prueba de impacto, que incluye la masa del péndulo y la diferencia de altura, teniendo en cuenta las pérdidas de energía debido a la fricción y el viento.

¿Cuál es la fórmula para la prueba de impacto Charpy?

La fórmula del ensayo de impacto Charpy se utiliza para calcular la energía absorbida por la muestra durante el impacto. 
La fórmula de la prueba de impacto se muestra a continuación.

E =mgΔh

E es la energía absorbida por la muestra (en julios), m es la masa del péndulo (en kilogramos), g es la aceleración de la gravedad (9,81 m/s²) y Δh es la diferencia de altura del péndulo antes y después del impacto (en metros).

Por ejemplo, un péndulo con una masa de 1,5 kg oscila desde una altura de 2 metros y desciende a 1 metro después de golpear la muestra.

La fórmula se muestra a continuación.

E =1,5 ⋅ 9,81 ⋅ ( 2 - 1 )

E =1,5 ⋅ 9,81 ⋅ (1) =14,715 J

E =14,715 J

El ejemplar absorbió 14,715 julios de energía durante el impacto. La prueba de impacto Charpy determina la energía absorbida, generalmente expresada en julios, mientras que la resistencia al impacto a menudo se calcula como energía por unidad de área (J/cm2 o kJ/m2).

¿Cuál es la unidad para una prueba de impacto Charpy?

Los resultados de la prueba de impacto Charpy se miden en julios, que es la unidad SI para energía. La unidad es la cantidad de trabajo realizado cuando se ejerce una fuerza de 1 Newton sobre una distancia de 1 metro. El valor se utiliza para calcular la energía de impacto en J/m2 dividiendo el valor en julios por el área de la sección transversal de la muestra en la muesca de la muestra.

¿Cuáles son los procedimientos paso a paso de las pruebas de impacto Charpy?

Los procedimientos paso a paso de las pruebas de impacto Charpy se enumeran a continuación.

1. Preparación de muestras :Comience cortando la muestra de material en las dimensiones requeridas, una forma rectangular estándar, asegurándose de que no tenga defectos en la superficie.  La muestra debe colocarse en la máquina de ensayo con el lado con muescas alejado del péndulo oscilante. La preparación adecuada de la muestra es esencial para obtener resultados precisos en el procedimiento de prueba Charpy.
2. Orientación de la muesca:la muesca debe estar alineada con precisión, ya que su ubicación y orientación afectan los resultados. La muesca se coloca en el centro de la muestra y debe mirar en dirección opuesta a la dirección del impacto. La orientación correcta de la muesca es esencial para probar el procedimiento de prueba de impacto Charpy del material.
3. Golpe de péndulo :Suelte el péndulo desde una altura conocida para que oscile hacia abajo y golpee la muestra con muescas. La fuerza aplicada a la muestra durante el impacto hace que se fracture y, en consecuencia, la altura del péndulo disminuye. El paso forma parte del procedimiento de prueba de impacto utilizado para simular una fuerza repentina sobre el material.
4. Medición de energía :Mida la diferencia de altura del péndulo antes y después de golpear la muestra después del impacto. La energía absorbida por la muestra se calcula utilizando la diferencia de altura, la masa del péndulo y la gravedad. La etapa concluye el procedimiento de prueba de impacto Charpy, determinando la tenacidad y la resistencia al impacto del material.

¿Qué máquina se utiliza en las pruebas de impacto Charpy?

Se utiliza una máquina de prueba de impacto Charpy para probar la resistencia al impacto de una muestra. La máquina es relativamente simple y funciona balanceando un péndulo sobre una muestra para fracturarla. La energía absorbida por la muestra se lee en un dial de la máquina. 

La máquina es relativamente simple y funciona balanceando un péndulo sobre una muestra para fracturarla. La energía absorbida por la muestra se lee en un dial de la máquina. 

¿Qué es el estándar de prueba de impacto Charpy?

El estándar de prueba de impacto Charpy está definido por pautas específicas para garantizar la coherencia y confiabilidad en los procedimientos de prueba. Las normas más reconocidas son ASTM E23 y ASTM D6110. ASTM E23 es el estándar utilizado para las pruebas de materiales metálicos y proporciona métodos para medir las propiedades de impacto de los metales (preparación de muestras, procedimientos de prueba y requisitos de equipos). ASTM D6110 se aplica a los plásticos y describe los métodos para determinar la resistencia al impacto de materiales poliméricos mediante la prueba Charpy. ASTM E23 y ASTM D6110 son esenciales para garantizar que los resultados de las pruebas sean precisos y comparables entre diferentes materiales y condiciones de prueba.

¿Cuál es la temperatura para una prueba de impacto Charpy?

La temperatura para la prueba de impacto Charpy es de 23 °C. Sin embargo, estas pruebas se realizan en muchos rangos de temperatura para trazar la temperatura de transición de dúctil a frágil de los materiales.

¿Cuáles son los dos tipos de resultados de la prueba de impacto Charpy?

Los dos tipos de resultados de la prueba de impacto Charpy se enumeran a continuación.

1. Resultados cuantitativos :Los resultados cuantitativos proporcionan datos mensurables, expresados en julios, que representan la cantidad de energía absorbida por la muestra durante el impacto. El valor se utiliza para determinar la resistencia al impacto charpy del material y su capacidad para resistir la fractura bajo tensión. Los resultados cuantitativos ayudan a comparar diferentes materiales en términos de dureza y resistencia al impacto.
2. Resultados cualitativos :Los resultados cualitativos ofrecen información sobre el comportamiento del material, como por ejemplo si se fractura de manera frágil o dúctil. Se observan visualmente después de la prueba y proporcionan una descripción de la superficie de la fractura (si muestra signos de deformación plástica/expansión lateral o una superficie plana cristalina). El procedimiento de prueba de impacto Charpy ayuda a obtener tipos de resultados, ofreciendo una comprensión completa del rendimiento del material bajo impacto.

1. Resultados cuantitativos

Los resultados cuantitativos son datos basados en valores numéricos. El dato cuantitativo normalmente es la energía absorbida durante la fractura de la muestra en el ensayo de impacto Charpy. La temperatura de transición de dúctil a frágil (DBTT) se estima probando múltiples muestras a múltiples temperaturas para ver dónde hay un aumento drástico en la energía de impacto requerida.

La fórmula de la prueba de impacto Charpy se muestra a continuación.

E =mg (h₁ − h₂)

Prueba Charpy V-Notch:¿Por qué es importante en las pruebas Charpy?

La prueba Charpy V-Notch es importante porque la muesca en forma de V crea una concentración de tensión controlada que fuerza a que la fractura comience en una ubicación precisa, lo que permite una medición precisa de la resistencia al impacto. La prueba de muesca Charpy V garantiza que la absorción de energía se evalúe en condiciones repetibles durante una carga repentina. Una prueba de muesca en V revela con qué eficiencia un material resiste fallas frágiles cuando se expone a un impacto a alta velocidad. Una prueba de entalla estandariza el inicio de grietas para que los valores de energía absorbida sigan siendo comparables entre diferentes muestras de materiales. El Angulo de Charpy define el ángulo de muesca exacto que controla la intensidad de la tensión, lo que afecta directamente la precisión y consistencia de la medición de la tenacidad al impacto.

Diagrama de la prueba de impacto Charpy:¿Cómo se representa?

El diagrama de la prueba de impacto Charpy se presenta mediante los siguientes pasos que se enumeran a continuación.

1. Presentar el diseño del diagrama de prueba de impacto Charpy . Un diagrama de prueba de impacto Charpy muestra un marco de soporte rígido con un péndulo montado a una altura fija sobre la muestra. El diseño ilustra cómo la energía potencial gravitacional se convierte en energía de impacto en el punto de impacto.
2. Muestre la disposición en un diagrama de prueba Charpy . El diagrama de prueba Charpy muestra la muestra de prueba descansando horizontalmente sobre dos yunques con un espacio definido entre soportes. La muesca mira hacia el péndulo, por lo que la fractura se inicia en la concentración de tensión más alta durante el impacto.
3. Representa el funcionamiento de un probador de impacto Charpy . La ilustración del probador de impacto Charpy traza el arco del péndulo desde la liberación hasta el contacto con la muestra. La diferencia entre la altura inicial y la de rebote representa la energía absorbida durante la fractura.
4. Ilustrar la etapa de medición de energía . La etapa final del diagrama muestra una escala mecánica o pantalla digital conectada al eje del péndulo. La pérdida de energía medida representa directamente la resistencia al impacto del material bajo una carga repentina.

¿Cuáles son los factores que afectan una prueba de impacto Charpy?

Los factores que afectan una prueba de impacto Charpy se enumeran a continuación.

• Límite elástico :El límite elástico afecta la rigidez del material, una mayor resistencia reduce la deformación antes de romperse.
• Muesca :Las muescas crean puntos de tensión y los surcos guían las fracturas.
• Temperatura :La temperatura influye en el comportamiento frágil o dúctil, cambiando la energía necesaria para fracturarse. 
• Mecanismo de fractura :El mecanismo de fractura muestra cómo el material se separa bajo el impacto, lo que refleja la resistencia de su estructura interna a la fuerza.

1. Límite elástico

El límite elástico del material aumenta cuando la energía de impacto disminuye. Los materiales con mayor límite elástico tienen menor tenacidad. Los materiales que se deforman plásticamente antes de fallar finalmente se consideran más resistentes. El límite elástico y el mayor límite elástico son factores que afectan la prueba de impacto Charpy, que crea una respuesta más rígida que reduce la cantidad de energía absorbida durante el impacto.

2. Muesca

La entalla introduce un punto de tensión controlado que dirige la trayectoria de la fractura e influye en la tenacidad medida. La muestra con muesca en V se utiliza cuando el material es frágil y una muestra con muesca en U cuando el material es dúctil. La muestra con muesca en U tiene un factor de concentración de tensión más alto que la muestra con muesca en V. Cabe señalar que las muescas deben ser exactamente iguales para obtener resultados precisos que se comparen con pruebas anteriores.

3. Temperatura

La temperatura altera el comportamiento del material al cambiar el equilibrio entre las respuestas frágiles y dúctiles durante la carga de impacto. Las pruebas de impacto Charpy se realizan normalmente a 23 °C. Sin embargo, se utilizan temperaturas más altas y más bajas para trazar una curva que representa el comportamiento de transición de dúctil a frágil de un material. Las temperaturas más altas aumentan la resistencia al impacto.

4. Mecanismo de fractura

El mecanismo de fractura determina cómo se separa un material bajo una fuerza repentina y define la cantidad de energía necesaria para completar la rotura. Los dos mecanismos de fractura son la escisión, que es común en materiales frágiles, y la coalescencia por microhuecos, que es más común en materiales dúctiles. Los materiales que se fracturan mediante el mecanismo de fractura por escisión tienen una energía de impacto menor que los materiales que fallan mediante la coalescencia de microhuecos. 

¿Es importante la prueba de impacto Charpy en la impresión 3D?

Sí, la prueba de impacto Charpy es importante en la impresión 3D. La realización de pruebas de impacto Charpy en muestras impresas en 3D ayuda a los ingenieros a determinar la resistencia al impacto de diversos materiales de impresión 3D, teniendo en cuenta que algunas tecnologías imprimen piezas con propiedades anisotrópicas. Probar muestras con diferentes geometrías de impresión ayuda a los ingenieros a comprender cómo optimizar sus diseños en cuanto a resistencia al impacto. La prueba de impacto de Charpy es importante en la impresión 3D porque el método proporciona una medición clara de cómo un material impreso absorbe energía durante una carga repentina. Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre Todo lo que necesita saber sobre la impresión 3D.

Consulte nuestro Glosario de fichas técnicas para obtener más información sobre las diferentes propiedades de los materiales.