Resistencia al Impacto: Definiciones, Importancia y Técnicas Precisas de Medición

La resistencia al impacto es la medida de la capacidad de un material para resistir agrietamiento, fractura o deformación plástica bajo impacto repentino e intenso, o cargas de choque. Es una propiedad crítica que determina la capacidad del material para soportar fuerzas repentinas. El diseño de componentes que serán sometidos a altos impactos o cargas de choque depende de la comprensión de estas mediciones, para permitir fallos potenciales. La resistencia al impacto de un material se cuantifica usualmente usando el test IZOD o tests Charpy. Estos son tests indicativos y estandarizados, usados para clasificar materiales. Sin embargo, no son representativos del uso real y proporcionan información limitada sobre cargas cíclicas 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 fallos de resistencia al impacto.

¿Qué es la Resistencia al Impacto?

La resistencia al impacto es una medida de la capacidad de un material para resistir fractura bajo carga de choque e impulso. Solo es aplicable a materiales que sufren fractura frágil. También se usa en la prueba de materiales dúctiles que muestran transición frágil-dúctil dependiente de temperatura y/o impulso. Muchos materiales que son dúctiles bajo condiciones de carga y operación "normales" pueden mostrar comportamiento frágil cuando están fríos y/o impactados repentinamente. Evaluar estos comportamientos es informativo en diseño de productos y selección de materiales.

¿Cuál es la Importancia de la Resistencia al Impacto?

Comprender los comportamientos 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 sufrirán altos impulsos (es decir, de corto período) deben hacerse para resistir los efectos catastróficos que estos pueden crear.

El buen diseño de productos resistentes requiere que varios comportamientos se entiendan además de la resistencia al impacto básica. Entender propiedades como fatiga, microfractura y comportamientos mixtos dúctil/frágil también contribuyen a reducir/evitar hacer productos que fallen prematuramente en servicio. La vida útil es particularmente importante en muchas áreas. Permite mantenimiento preventivo e impulsa una comprensión de procesos y programas de inspección para prevenir fallos.

¿Cómo se Calcula o Mide la Resistencia al Impacto?

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

1. Test de Impacto Charpy

El test Charpy es menos usado que el test IZOD y resulta en una medición de energía de impacto Charpy V absorbida, en Julios. Esto se mide por el desplazamiento post-impacto del martillo, ya que la energía restante se disipa en el balanceo continuo del martillo oscilante.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre Test de Impacto Charpy.

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

Material más grueso influirá en la resistencia proporcionando más estructura/enlaces que pueden necesitar romperse para lograr fractura.

2. Temperatura

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

Los metales, en particular, tienen una temperatura de recocido, a la que pueden volverse más auto-reparables. El aluminio, por ejemplo, se recocina a 570°F, por lo que todos los límites de cristal se fusionan entre sí y el material se vuelve muy dúctil. Algunos materiales sufren fragilización a bajas temperaturas. Muchos materiales se debilitan a medida que se calientan, con transiciones inusuales evidentes a temperaturas como el inicio de transición vítrea.

3. Radio de Entalla

La concentración de esfuerzo es un factor importante en la resistencia del material. Una entalla de punta afilada promoverá la fractura enfocando el esfuerzo en un punto, por lo que el radio de entalla es críticamente importante en la comparación de tests para materiales similares.

Tipos de Fallos de Resistencia al Impacto

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

1. Fractura Frágil

Una fractura frágil es aquella en la que una muestra de material se ha partido en dos o más partes. Estas partes pueden reencajarse para formar la forma/contorno original de la pieza. Una galleta sufre fractura frágil, cuando está fresca y crujiente.

2. Fractura Dúctil

Una fractura dúctil es una ocurrencia rara. Los modos de fallo dúctil ocurren cuando un material se estrecha irreversiblemente (es decir, sufre deformación plástica) y extensamente. En general, un fallo dúctil masivo en una pieza de prueba de tracción se parece a una plastilina que ha sido estirada para formar un cuello. Esto generalmente es seguido por una pequeña fractura frágil que puede encajar perfectamente — en lugar de extenderse a un hilo fino.

3. Fluencia

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

4. Agrietamiento Leve

El propósito de ambos tests Charpy e IZOD cuando se realizan correctamente es la separación o fractura de la muestra de material, en dos o más piezas. Si la muestra solo está ligeramente dañada o parcialmente rota, un test de mayor energía o entalla más profunda puede ser apropiado. El fallo puede lograrse a partir de una mezcla de modos — cizalladura, dúctil y frágil. Los tipos de fallo se enumeran como: rotura completa, rotura bisagra, rotura incompleta y no rotura.

¿Cómo se Relaciona la Resistencia al Impacto con la Impresión 3D?

La mayoría de los plásticos impresos en 3D muestran resistencia al impacto considerablemente menor que un bloque moldeado o mecanizado del mismo material. Esto es una función de las propiedades anisotrópicas de los métodos de construcción usados para impresión 3D y puede relacionarse significativamente con la orientación de construcción. Por ejemplo, las piezas FDM ofrecen generalmente mejor unión inter-capa que intra-capa, así 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 es cierta para otros tipos de modelos, en grado variable.

¿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 dependiendo de las características del material. En general, la resistencia al impacto de piezas FDM impresas en, por ejemplo, PLA es cercana a cero a lo largo del eje Z y hasta 23 kJ/m² a lo largo de los ejes X-Y en tests Charpy.

Aplicaciones de la Resistencia al Impacto

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

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

Ejemplos de 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 variabilidad que no es aparente hasta el fallo. En metales, el tratamiento térmico y las alteraciones de estructura cristalina resultantes, pueden tener efectos de largo alcance que son difíciles de entender o cuantificar. Los agentes de aleación son similarmente importantes, aunque menos ocultos. Finalmente, los procesos de fabricación pueden alterar el rendimiento tan marcadamente que las pruebas básicas de material pueden ser informativas. Un buen ejemplo es la diferencia entre una pieza de acero forjado y una fundida hecha del mismo material. La materia prima es idéntica, pero la pieza forjada puede ser órdenes de magnitud más rígida, fuerte y resistente a la fractura.

¿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 Mín IZOD (J/m²)	Valor Máx IZOD (J/m²)
ABS - Acrilonitrilo Butadieno Estireno	200	215
ASA - Acrilonitrilo Estireno Acrilato	100	600
HDPE - Polietileno de Alta Densidad	20	220
HIPS - Poliestireno de Alto Impacto	50	350
LDPE - Polietileno de Baja Densidad	999	999
LLDPE - Polietileno Lineal de Baja Densidad	54	999
PA 66 - Poliamida 6-6	50	150
PBT - Polibutileno Tereftalato	27	999
PC - Policarbonato	80	650
PET - Polietileno Tereftalato	140	140
PETG - Polietileno Tereftalato Glicol	50	50
PMMA - Polimetil Metacrilato/Acrílico	10	25
POM - Polioximetileno (Acetal)	60	120
PP - Polipropileno 10-20% Fibra de Vidrio	50	145
PTFE - Politetrafluoroetileno	160	200
PVC Rígido	20	110

Crédito de la tabla: https://omnexus.specialchem.com/

Preguntas Frecuentes sobre Resistencia al Impacto

¿Cuál es el Metal con Mayor Resistencia al Impacto?

En resultados de investigación, el valor más alto de test Charpy jamás logrado fue para una muestra de compuesto metálico (~450J). Fue para un bloque laminado de hojas alternadas de aceros ferríticos y martensíticos laminados en caliente.

¿Qué Dispositivo se Usa para Medir la Resistencia al Impacto del Material?

En ambos tests IZOD y Charpy, la muestra es impactada por un martillo oscilante cuya energía puede ajustarse con un peso de bola mayor o menor. En tests IZOD, la muestra generalmente se sujeta en un extremo, montada verticalmente, y puede tener entalla o (menos comúnmente) no. La entalla puede enfrentar al martillo o ser invertida. Aunque las mediciones deberían, en principio, variar poco, la consistencia en cualquier ciclo de prueba es importante. En tests Charpy, la muestra puentea 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 distorsión y fractura cuando es impactado 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 un collet 2D. La capacidad de tracción es una medida más clara con una salida mejor cuantificada, que se traduce en fuerza simple, calculable en tensión, para 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 discutió qué significa en fabricación. Para obtener más información sobre resistencia al impacto, contacte a un representante de Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements es graduado en Ingeniería Mecánica con honores y más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye roles significativos en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló una profunda comprensión de los procesos e innovaciones de ingeniería.

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