Ensayo de impacto Charpy: Cómo mide la tenacidad del material, procedimiento e interpretación

El ensayo de impacto Charpy se desarrolló por primera vez en la década de 1900 para avanzar en la comprensión de por qué los materiales fallan prematuramente. El ensayo Charpy determina cuánta energía absorbe un material durante la fractura, conocida como energía de impacto, y se usa para evaluar la resistencia al impacto Charpy de un material. El ensayo es comparativo, lo que significa que las resistencias al impacto de varios materiales se comparan entre sí, siempre que se hayan probado usando el mismo estándar. El procedimiento del ensayo de impacto Charpy implica golpear una muestra entallada con un péndulo oscilante. La altura del péndulo antes y después del impacto se usa para determinar cuánta energía absorbió la muestra. El ensayo ayuda a evaluar la tenacidad al entalle, que indica la resistencia de un material a la fractura en la ubicación del entalle.

El Ensayo de Impacto Charpy es un método usado en pruebas de materiales para medir la resistencia al impacto, lo que responde a la pregunta "¿Qué es el ensayo Charpy?", determinando cuánta energía absorbe un material durante la fractura. La energía absorbida durante el ensayo se mide por la diferencia de altura antes y después del impacto, y el resultado depende de las características de la probeta de ensayo de impacto Charpy.

¿Qué es el Ensayo de Impacto Charpy?

El Ensayo de Impacto Charpy se usa para medir la capacidad de un material para absorber energía durante la fractura. El Ensayo de Impacto Charpy se realiza golpeando una probeta entallada con un péndulo oscilante. La cantidad de energía absorbida durante el impacto se determina por la diferencia de altura antes y después de la oscilación. El ensayo tiene como objetivo evaluar la resistencia al impacto de un material, específicamente su resistencia a la fractura frágil bajo altas tasas de deformación. El ensayo de impacto Charpy es esencial para entender cómo se desempeñan los materiales en condiciones reales (temperaturas extremas o bajo impacto repentino). El ensayo Charpy mide la tenacidad de los materiales probando su respuesta a fuerzas repentinas.

La definición del ensayo de impacto implica comparar la energía absorbida por diferentes materiales bajo condiciones estandarizadas.

¿Cuál es la historia del Ensayo de Impacto Charpy?

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

¿Cuál es la importancia del Ensayo de Impacto Charpy?

La importancia del Ensayo de Impacto Charpy es que proporciona información valiosa sobre la capacidad del material para soportar fuerzas o impactos repentinos. El ensayo es necesario en ingeniería de materiales porque ayuda a determinar la tenacidad y fiabilidad de los materiales en entornos sujetos a carga rápida o fluctuaciones de temperatura. Entender la resistencia al impacto Charpy de materiales impresos asegura que las piezas impresas soporten tensiones del mundo real sin fallar en impresión 3D. El ensayo juega 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 al entalle, que mide la capacidad de un material para resistir la propagación de grietas en el sitio de un entalle, lo que lo hace esencial para seleccionar materiales para aplicaciones donde la falla conduce a consecuencias catastróficas.

Cómo calcular el Ensayo de Impacto Charpy

Para calcular el Ensayo de Impacto Charpy, hay cuatro pasos a seguir. Primero, configure el ensayo asegurando la probeta de ensayo de impacto Charpy en su lugar bajo el péndulo. Segundo, libere el péndulo y permita que golpee la probeta entallada. Tercero, mida la altura del péndulo antes y después del impacto para determinar cuánta energía se absorbió. Por último, use la fórmula del ensayo de impacto Charpy para calcular la energía absorbida por la probeta, que es la diferencia en energía potencial menos las pérdidas de energía debido a fricción y resistencia del aire. Se hace usando la fórmula del ensayo de impacto, que incluye la masa del péndulo y la diferencia de altura, mientras se contabilizan las pérdidas de energía debido a fricción y resistencia del aire.

¿Cuál es la fórmula para el Ensayo de Impacto Charpy?

La fórmula para el Ensayo de Impacto Charpy se usa para calcular la energía absorbida por la probeta durante el impacto.
La fórmula del ensayo de impacto se muestra a continuación.

E = mgΔh

E es la energía absorbida por la probeta (en julios), m es la masa del péndulo (en kilogramos), g es la aceleración debida a 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 se reduce a 1 metro después de golpear la probeta.

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

La probeta absorbió 14.715 julios de energía durante el impacto. El ensayo de impacto Charpy determina la energía absorbida, típicamente 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 un Ensayo de Impacto Charpy?

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

¿Cuáles son los procedimientos paso a paso del ensayo de impacto Charpy?

Los Procedimientos Paso a Paso del Ensayo de Impacto Charpy se enumeran a continuación.

1. Preparación de la probeta: Comience cortando la probeta del material en las dimensiones requeridas, una forma rectangular estándar, asegurándose de que esté libre de defectos superficiales. La probeta debe posicionarse en la máquina de ensayo con el lado entallado orientado lejos del péndulo oscilante. La preparación adecuada de la probeta es esencial para resultados precisos en el procedimiento del ensayo Charpy.
2. Orientación del entalle: El entalle debe alinearse precisamente, ya que su ubicación y orientación afectan los resultados. El entalle se coloca en el centro de la probeta y debe orientarse lejos de la dirección del impacto. La orientación correcta del entalle es esencial para probar el procedimiento del ensayo de impacto Charpy del material.
3. Golpe del péndulo: Libere el péndulo desde una altura conocida para que oscile hacia abajo y golpee la probeta entallada. La fuerza aplicada a la probeta durante el impacto la hace fracturar, y la altura del péndulo disminuye en consecuencia. El paso es parte del procedimiento del ensayo de impacto usado para simular una fuerza repentina en el material.
4. Medición de energía: Mida la diferencia de altura del péndulo antes y después de golpear la probeta tras el impacto. La energía absorbida por la probeta se calcula usando la diferencia de altura, la masa del péndulo y la gravedad. El paso concluye el procedimiento del ensayo de impacto Charpy, determinando la tenacidad y resistencia al impacto del material.

¿Qué máquina se usa en el ensayo de impacto Charpy?

Una máquina de ensayo de impacto Charpy se usa para probar la resistencia al impacto de una muestra. La máquina es relativamente simple y funciona oscilando un péndulo contra 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 oscilando un péndulo contra una muestra para fracturarla. La energía absorbida por la muestra se lee en un dial de la máquina.

¿Cuál es el estándar del Ensayo de Impacto Charpy?

El estándar del ensayo de impacto Charpy está definido por directrices específicas para asegurar consistencia y fiabilidad en los procedimientos de ensayo. Los estándares más reconocidos son ASTM E23 y ASTM D6110. ASTM E23 es el estándar usado para el ensayo de materiales metálicos, proporcionando los métodos para medir propiedades de impacto de metales (preparación de probeta, procedimientos de ensayo y requisitos de equipo). ASTM D6110 aplica a plásticos y describe los métodos para determinar la resistencia al impacto de materiales poliméricos usando el ensayo Charpy. ASTM E23 y ASTM D6110 son esenciales para asegurar que los resultados del ensayo sean precisos y comparables entre diferentes materiales y condiciones de ensayo.

¿Cuál es la temperatura para un Ensayo de Impacto Charpy?

La temperatura para el ensayo de impacto Charpy es 23 °C. Sin embargo, estos ensayos se realizan en muchos rangos de temperatura para trazar la temperatura de transición dúctil-frágil de los materiales.

¿Cuáles son los dos tipos de resultados del Ensayo de Impacto Charpy?

Los Dos Tipos de Resultados del Ensayo de Impacto Charpy se enumeran a continuación.

1. Resultados Cuantitativos: Los Resultados Cuantitativos proporcionan datos medibles, expresados en julios, representando la cantidad de energía absorbida por la probeta durante el impacto. El valor se usa para determinar la resistencia al impacto Charpy del material y su capacidad para resistir la fractura bajo esfuerzo. Los resultados cuantitativos ayudan a comparar diferentes materiales en términos de tenacidad y resistencia al impacto.
2. Resultados Cualitativos: Los Resultados Cualitativos ofrecen información sobre el comportamiento del material, como si fractura de manera frágil o dúctil. Se observan visualmente después del ensayo y proporcionan una descripción de la superficie de fractura (si muestra signos de deformación plástica/expansión lateral o una superficie cristalina, plana). El procedimiento del ensayo de impacto Charpy ayuda a obtener tipos de resultados, ofreciendo una comprensión completa del desempeño del material bajo impacto.

1. Resultados Cuantitativos

Los resultados cuantitativos son datos basados en valores numéricos. Los datos cuantitativos normalmente son la energía absorbida durante la fractura de la muestra en el ensayo de impacto Charpy. La Temperatura de Transición Dúctil-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 del ensayo de impacto Charpy se muestra a continuación.

E = m g (h₁ − h₂)

Ensayo Charpy V-Notch: ¿Por qué es importante en los ensayos Charpy?

El ensayo Charpy V-Notch es importante porque el entalle en forma de V crea una concentración de esfuerzo controlada que fuerza a la fractura a comenzar en una ubicación precisa, permitiendo la medición precisa de la tenacidad al impacto. El ensayo Charpy V-Notch asegura que la absorción de energía se evalúe bajo condiciones repetibles durante la carga súbita. Un ensayo V-Notch revela qué tan eficientemente un material resiste la falla frágil cuando se expone a impacto de alta velocidad. Un ensayo de entalle estandariza la iniciación de grietas para que los valores de energía absorbida permanezcan comparables entre diferentes muestras de material. El Ángulo de Charpy define el ángulo exacto del entalle que controla la intensidad del esfuerzo, lo que afecta directamente la precisión y consistencia de la medición de tenacidad al impacto.

Diagrama del Ensayo de Impacto Charpy: ¿Cómo se representa?

El diagrama del ensayo de impacto Charpy se presenta mediante los siguientes pasos enumerados a continuación.

1. Presentar el diseño del diagrama del Ensayo de Impacto Charpy. Un diagrama de ensayo de impacto Charpy muestra un marco de soporte rígido con un péndulo montado a una altura fija sobre la probeta. El diseño ilustra cómo la energía potencial gravitacional se convierte en energía de impacto en el punto de golpe.
2. Mostrar la disposición en un Diagrama de Ensayo Charpy. El diagrama de ensayo Charpy muestra la probeta de ensayo reposando horizontalmente sobre dos yunques con una luz definida entre soportes. El entalle mira hacia el péndulo, para que la fractura inicie en la mayor concentración de esfuerzo durante el impacto.
3. Representar 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 probeta. 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 tenacidad al impacto del material bajo carga súbita.

¿Cuáles son los factores que afectan un Ensayo de Impacto Charpy?

Los factores que afectan un Ensayo de Impacto Charpy se enumeran a continuación.

• Resistencia a la fluencia: La resistencia a la fluencia afecta la rigidez del material, mayor resistencia reduce la deformación antes de romperse.
• Entalle: Los entalles crean puntos de esfuerzo, y las ranuras guían la fractura.
• Temperatura: La temperatura influye en el comportamiento frágil o dúctil, cambiando la energía necesaria para fracturar.
• Mecanismo de fractura: El mecanismo de fractura muestra cómo el material se separa bajo impacto, reflejando la resistencia de su estructura interna a la fuerza.

1. Resistencia a la fluencia

La resistencia a la fluencia del material aumenta cuando la energía de impacto disminuye. Los materiales con mayor resistencia a la fluencia tienen menor tenacidad. Los materiales que se deforman plásticamente antes de la falla final se consideran más tenaces. La resistencia a la fluencia y mayor resistencia a la fluencia son factores que afectan un Ensayo de Impacto Charpy, lo que crea una respuesta más rígida que reduce la cantidad de energía absorbida durante el impacto.

2. Entalle

El entalle introduce un punto de esfuerzo controlado que dirige el camino de la fractura e influye en la tenacidad medida. La probeta con entalle en V se usa cuando el material es frágil, y una probeta con entalle en U se usa cuando el material es dúctil. La probeta con entalle en U tiene un factor de concentración de esfuerzo mayor que la probeta con entalle en V. Debe notarse que los entalles deben ser precisamente iguales para obtener resultados precisos que se comparen con ensayos anteriores.

3. Temperatura

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

4. Mecanismo de fractura

El mecanismo de fractura determina cómo un material se separa bajo fuerza súbita y define la cantidad de energía requerida para completar la ruptura. Los dos mecanismos de fractura son la fractura por clivaje, común en materiales frágiles, y la coalescencia de microvacíos, más común para materiales dúctiles. Los materiales que fracturan vía el mecanismo de fractura por clivaje tienen menor energía de impacto que los materiales que fallan vía coalescencia de microvacíos.

¿Es importante el Ensayo de Impacto Charpy en la impresión 3D?

Sí, el ensayo de impacto Charpy es importante en la impresión 3D. Realizar ensayos de impacto Charpy en muestras impresas en 3D ayuda a los ingenieros a determinar la resistencia al impacto de varios materiales de impresión 3D, considerando que algunas tecnologías imprimen piezas con propiedades anisotrópicas. Probar muestras con diferentes geometrías de impresión ayuda a los ingenieros a entender cómo optimizar sus diseños para resistencia al impacto. El ensayo de impacto Charpy es importante en impresión 3D porque el método proporciona una medición clara de cómo un material impreso absorbe energía durante la carga súbita. Para más información, consulte nuestra guía sobre Todo lo que Necesita Saber Sobre Impresión 3D.

Consulte nuestro Glosario de Fichas Técnicas para aprender más sobre diferentes propiedades de materiales.