Resistencia al impacto:definiciones, importancia y técnicas de medición precisas

La resistencia al impacto es la medida de la capacidad de un material para resistir grietas, fracturas o deformaciones plásticas bajo impactos repentinos e intensos o cargas de choque. Es una propiedad crítica que determina la capacidad del material para resistir fuerzas repentinas. El diseño de componentes que estarán sujetos a altos impactos o cargas de choque depende de la comprensión de estas medidas para permitir posibles fallas. La resistencia al impacto de un material suele cuantificarse mediante el ensayo IZOD o los ensayos Charpy. Se trata de pruebas indicativas y estandarizadas, utilizadas para calificar materiales. Sin embargo, no son representativos del uso real y brindan información limitada sobre la carga cíclica o del mundo real. Este artículo describirá la resistencia al impacto, cómo se calcula, su importancia, los factores que la afectan y los diferentes tipos de fallas por resistencia al impacto.

¿Qué es la resistencia al impacto?

La resistencia al impacto es una medida de la capacidad de un material para resistir la fractura bajo cargas de choque e impulso. Sólo es aplicable a materiales que sufren fractura frágil. También se utiliza en pruebas de materiales dúctiles que muestran una transición frágil-dúctil dependiente de la temperatura y/o del impulso. Muchos materiales que son dúctiles en condiciones operativas y de carga "normales" pueden mostrar un comportamiento frágil cuando están fríos y/o reciben un impacto repentino. Evaluar estos comportamientos es informativo en el diseño del producto y la selección de materiales.

¿Cuál es la importancia de la resistencia al impacto?

Comprender el comportamiento de impacto de los materiales es una pieza crítica de información de diseño que impulsa tanto la selección de materiales como el diseño detallado. Los componentes que probablemente sufran impactos de alto impulso (es decir, de corto plazo) deben resistir los efectos catastróficos que estos pueden crear.

Un buen diseño de productos resilientes requiere que se comprendan varios comportamientos además de la resistencia básica al impacto. Comprender propiedades como la fatiga, la microfractura y los comportamientos mixtos dúctiles/frágiles también contribuye a reducir/evitar la fabricación de productos que fallen prematuramente en servicio. La vida útil es especialmente importante en muchos ámbitos. Permite el mantenimiento preventivo e impulsa la comprensión de los procesos y cronogramas de inspección para evitar fallas.

¿Cómo se calcula o mide la resistencia al impacto?

A continuación se enumeran los dos métodos para calcular la resistencia al impacto:

1. Prueba de impacto Charpy

La prueba Charpy se utiliza con menos frecuencia que la prueba IZOD y da como resultado una medición de la energía de impacto absorbida de Charpy V, en julios. Esto se mide por el recorrido posterior al impacto del martillo, ya que la energía restante se disipa en el movimiento continuo del martillo oscilante.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre la prueba de impacto Charpy.

¿Cuáles son los factores que afectan la resistencia al impacto de los materiales?

A continuación se enumeran los factores que afectan la resistencia al impacto del material:

1. Espesor del material

El material más grueso influirá en la resistencia al proporcionar más estructura/uniones que pueden necesitar romperse para lograr la fractura.

2. Temperatura

Muchos materiales muestran cambios significativos en sus propiedades a medida que cambia la temperatura. Caracterizar estas alteraciones es una parte crítica del proceso de definición/prueba del material, y tanto las pruebas IZOD como Charpy se realizan en un rango de temperaturas estándar.

Los metales, en particular, tienen una temperatura de recocido a la que pueden volverse más autocurativos. El aluminio, por ejemplo, se recoce a 570 °F, por lo que todos los límites cristalinos se mezclan entre sí y el material se vuelve muy dúctil. Algunos materiales sufren fragilidad a bajas temperaturas. Muchos materiales se debilitan a medida que se calientan, siendo evidentes transiciones inusuales a temperaturas como el inicio de la transición vítrea.

3. Radio de muesca

La concentración de tensiones es un factor importante en la resistencia del material. Una muesca con punta afilada promoverá la fractura al concentrar la tensión en un punto, por lo que el radio de la muesca es de vital importancia al comparar pruebas de materiales similares.

¿Cuáles son los diferentes tipos de fallas por resistencia al impacto?

A continuación se enumeran los diferentes tipos de fallas por resistencia al impacto:

1. Fractura frágil

Una fractura frágil es aquella en la que una muestra de material se ha dividido en dos o más partes. Estas piezas se pueden volver a montar juntas para formar la forma/contorno original de la pieza. Una galleta se fractura quebradiza cuando está fresca y crujiente.

2. Fractura Dúctil

Una fractura dúctil es una ocurrencia rara. Los modos de falla dúctil ocurren cuando un material se estrecha de manera irreversible (es decir, sufre deformación plástica) y extensamente. En general, una falla dúctil masiva en una pieza de prueba de tracción parece una plastilina que se ha estirado para formar un cuello. A esto generalmente le sigue una pequeña fractura frágil que puede volver a encajar perfectamente, en lugar de extenderse hasta convertirse en un hilo fino como un cabello.

3. Cediendo

La fluencia es una característica de los materiales elásticos que alcanzan su límite elástico y luego sufren distorsión plástica. Cuando se experimentan fuerzas por debajo del límite elástico, el material volverá a su forma/dimensiones originales cuando se libere la fuerza. Por otro lado, cuando se excede el límite elástico o el límite elástico, el material sufrirá cierta deformación plástica (es decir, deformación permanente). Al ceder la fuerza, el material recuperará su deformación elástica, pero no el componente plástico.

4. Ligero agrietamiento

El propósito de los ensayos Charpy e IZOD, cuando se realizan correctamente, es la separación o fractura de la muestra de material, en dos o más pedazos. Si la muestra está ligeramente dañada o parcialmente rota, puede ser apropiada una prueba de mayor energía o de muesca más profunda. La falla se puede lograr mediante una combinación de modos:cizallamiento, dúctil y frágil. Los tipos de falla se enumeran como:rotura completa, rotura con bisagras, rotura incompleta y sin rotura.

¿Cómo se relaciona la resistencia al impacto con la impresión 3D?

La mayoría de los plásticos impresos en 3D muestran una resistencia al impacto considerablemente menor que un bloque moldeado o mecanizado del mismo material. Esto es función de las propiedades anisotrópicas de los métodos de construcción utilizados para la impresión 3D y puede estar relacionada significativamente con la orientación de la construcción. Por ejemplo, las piezas FDM ofrecen generalmente mejores inter unión entre capas que la intra -capa, por lo que los modelos tienen un grado razonable de resistencia en el plano X-Y de la construcción, pero son mucho más débiles a lo largo del eje Z. Esta variación/direccionalidad se aplica a otros tipos de modelos, en distintos grados.

¿Cuál es la resistencia al impacto ideal para un material impreso en 3D?

La resistencia al impacto ideal para un material impreso en 3D varía según las características del material. En general, la resistencia al impacto de las piezas impresas FDM en, por ejemplo, PLA es cercana a cero en el eje Z y hasta 23 kJ/m2 en los ejes X-Y en las pruebas Charpy.

¿Cuáles son las aplicaciones de la resistencia al impacto?

Si bien las pruebas de resistencia al impacto no pueden proporcionar un punto de referencia absoluto en el diseño de componentes, son una medida de escala necesaria. A continuación se enumeran algunas aplicaciones de la resistencia al impacto:

1. La resistencia relativa de los materiales.
2. Modos de falla en condiciones adversas “normales”. Estos resultados pueden informar el proceso de diseño, al mejorar la rigidez y la disipación de energía de los componentes. Ayuda a mejorar el rendimiento en el mundo real, por ejemplo, tolerando mejor la distorsión dúctil que puede ocurrir de manera predecible.
3. Comprender el comportamiento de la temperatura, para permitir la selección de materiales adecuados a las condiciones de trabajo esperadas para la pieza.
4. Comprender otros factores ambientales como la exposición/absorción de humedad y su efecto en las piezas.

¿Cuáles son ejemplos de la resistencia al impacto de algunos materiales?

Las pruebas de impacto de materiales son un área de resultados mixtos. No todas las pruebas son tan rigurosas como deberían ser. La fabricación de materiales puede introducir una variabilidad que no es evidente hasta que falla. En los metales, el tratamiento térmico y las alteraciones resultantes de la estructura cristalina pueden tener efectos de gran alcance que son difíciles de entender o cuantificar. Los agentes de aleación son igualmente importantes, aunque menos ocultos. Finalmente, los procesos de fabricación pueden alterar el rendimiento de manera tan marcada que las pruebas básicas de materiales pueden resultar poco informativas. Un buen ejemplo es la diferencia entre una pieza de acero forjada y una pieza de acero fundido fabricada en el mismo material. La materia prima es idéntica, pero la pieza forjada puede ser mucho más rígida, más fuerte y más resistente a las fracturas.

¿Cuál es la resistencia al impacto del plástico?

Las resistencias al impacto de algunos polímeros comunes se muestran en la Tabla 1 a continuación: 

Tabla 1:Resistencias al impacto de algunos polímeros comunes

Polímero Valor IZOD mínimo (J/m2) Valor máximo de IZOD (J/m2)

Polímero

ABS - Acrilonitrilo Butadieno Estireno

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

200

Valor máximo de IZOD (J/m2)

215

Polímero

ASA - Acrilato de acrilonitrilo estireno

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

100

Valor máximo de IZOD (J/m2)

600

Polímero

HDPE - Polietileno de Alta Densidad

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

20

Valor máximo de IZOD (J/m2)

220

Polímero

HIPS - Poliestireno de alto impacto

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

50

Valor máximo de IZOD (J/m2)

350

Polímero

LDPE - Polietileno de Baja Densidad

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

999

Valor máximo de IZOD (J/m2)

999

Polímero

LLDPE - Polietileno lineal de baja densidad

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

54

Valor máximo de IZOD (J/m2)

999

Polímero

PA 66 - Poliamida 6-6

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

50

Valor máximo de IZOD (J/m2)

150

Polímero

PBT - Tereftalato de polibutileno

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

27

Valor máximo de IZOD (J/m2)

999

Polímero

PC - Policarbonato

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

80

Valor máximo de IZOD (J/m2)

650

Polímero

PET - Tereftalato de polietileno

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

140

Valor máximo de IZOD (J/m2)

140

Polímero

PETG - Politereftalato de etileno glicol

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

50

Valor máximo de IZOD (J/m2)

50

Polímero

PMMA - Polimetacrilato de metilo/Acrílico

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

10

Valor máximo de IZOD (J/m2)

25

Polímero

POM - Polioximetileno (Acetal)

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

60

Valor máximo de IZOD (J/m2)

120

Polímero

PP - Polipropileno 10–20% Fibra de Vidrio

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

50

Valor máximo de IZOD (J/m2)

145

Polímero

PTFE - Politetrafluoroetileno

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

160

Valor máximo de IZOD (J/m2)

200

Polímero

PVC Rígido

Valor mínimo de IZOD (J/m2)

20

Valor máximo de IZOD (J/m2)

110

Crédito de mesa:https://omnexus.specialchem.com/

Preguntas frecuentes sobre la resistencia al impacto

¿Cuál es el metal con mayor resistencia al impacto?

En los resultados de la investigación, el valor más alto de la prueba Charpy jamás alcanzado fue para una muestra compuesta de metal (~450J). Era para un bloque laminado de láminas alternas de aceros de ferrita y martensita unidos por laminación en caliente.

¿Qué dispositivo se utiliza para medir la resistencia al impacto del material?

Tanto en la prueba IZOD como en la Charpy, la muestra es impactada por un martillo oscilante cuya energía se puede ajustar con un peso mayor o menor. En las pruebas IZOD, la muestra generalmente se sujeta por un extremo, se monta verticalmente y se le puede hacer una muesca o (menos comúnmente) no tenerla. La muesca puede mirar hacia el martillo o estar invertida. Aunque, en principio, las mediciones deberían variar poco, la coherencia en cualquier ciclo de prueba es importante. En la prueba Charpy, la muestra cierra el espacio horizontal entre dos soportes sobre los que descansa. El martillo oscila entre estos soportes y es más pesado para materiales de mayor resistencia.

¿Cuál es la diferencia entre resistencia al impacto y resistencia a la tracción?

La resistencia al impacto define la capacidad de un componente para resistir la distorsión y la fractura cuando se impacta lateralmente y uno o ambos extremos están soportados. La prueba de tracción aplica una carga longitudinal a un extremo de una muestra, mientras que el otro extremo se retiene firmemente en una pinza 2D. La capacidad de tracción es una medida más clara con una producción mejor cuantificada, que se traduce en una resistencia a la tensión simple y calculable para los componentes.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre resistencia a la tracción.

Resumen

Este artículo presentó la resistencia al impacto, explicó qué es y analizó lo que significa en la fabricación. Para obtener más información sobre la resistencia al impacto, comuníquese con un representante de Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements es un Licenciado en Ingeniería Mecánica con honores y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye puestos importantes en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló un profundo conocimiento de los procesos de ingeniería y las innovaciones.

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