Universidad de ChileFacultad de Ciencias Físicas y MatemáticasDepartamento de Ciencia de los Materiales

Informe de Ciencia de los Materiales.Código Curso: CM3201Informe Laboratorio B.

Ensayo de Charpy y diferentes temperaturas.

Nombre: Diego Aceituno A.Grupo: 3

Sección: 1Ayudante: Catalina Verdugo R.

Fecha Realización: 07 de noviembre de 2015Fecha Entrega: 11 de noviembre de 2015

Resumen Ejecutivo.

En este laboratorio se estudió básicamente el efecto que tiene la temperatura sobre las propiedades de tenacidad y dureza del acero, habiendo realizando el Ensayo de Charpy a dos temperaturas distintas.

Para medir la tenacidad se realizó el ensayo de Charpy y para medir la dureza se utilizó un durómetro portátil sobre probetas de acero SAE 1020.

El ensayo de Charpy consiste en la ruptura de una probeta entallada mediante la aplicación de un impacto con un martillo. En este ensayo se mide la energía absorbida por el material al deformarse y romperse. Los resultados de este ensayo arrojaron que la probeta que se encontraba a menor temperatura tenía una menor tenacidad que la que se encontraba a mayor temperatura.

Por otra parte, de las mediciones de dureza se obtuvo que la probeta que se encontraba a menor temperatura presentaba una mayor dureza que la que se encontraba a mayor temperatura.

Estos resultados son los esperados de acuerdo con la teoría, la cual dice que el acero al disminuir su temperatura presenta una disminución de su tenacidad debido al cambio de tipo de fractura (de dúctil a frágil) y un aumento de su dureza.

Los valores de dureza obtenidos a pesar de que se encontraban dentro de los valores relativos esperados, se encontraban dispersos. Esto pudo ser causado por los errores que se cometieron al realizar las mediciones y a la superficie irregular de las probetas.

En conclusión, se puede decir que es muy importante saber los efectos que tiene la temperatura sobre estas propiedades mecánicas del acero, pero en particular es importante notar el efecto que tiene sobre la tenacidad, ya que es importante tener esto en cuenta al momento de utilizar el acero en un lugar donde hayan bajas temperaturas por razones de seguridad.

2

Índice.

Página

Introducción...……………………………………………………………. 4

Marco teórico ……………………………………………………………. 5-7

Metodología……………………………………………………………… 8

Resultados y discusión…………………………………………………. 9-10

Conclusiones…………………………………………………………….. 11

Bibliografía……………………………………………………………….. 12

3

Introducción.

En el siguiente informe, se expondrán los resultados obtenidos luego de la realización del laboratorio B “Ensayo de Charpy a diferentes temperaturas”, del curso Ciencias de los Materiales.

Este laboratorio tiene por objetivo observar la influencia de la temperatura en la tenacidad y dureza del acero. Para ello se realizará un ensayo de Charpy a dos probetas de acero SAE 1020 para medir su tenacidad a dos temperaturas distintas, y se medirá su dureza mediante la utilización de un durómetro.

Para poder comprender de mejor forma este laboratorio, se presentará un marco teórico a continuación, con el fin de que el lector se interiorice en los conceptos de dureza y tenacidad, además de comprender el funcionamiento de un ensayo de Charpy.

4

Marco teórico.

Dureza

Esta característica cuantifica la resistencia de la superficie de un material a ser deformado debido a esfuerzos generados por otro material que, idealmente, no sufre deformaciones. Esta propiedad es medida con el instrumento llamado durómetro, estos instrumentos utilizan de forma genérica elementos para penetrar la superficie del material cuya dureza se quiere caracterizar. Existen distintos tipos de durómetros que utilizan distintas fórmulas y escalas para la caracterización, entre ellos se mencionan 3 tipos importantes de durómetros:

Ensayo de Brinell: Este tipo de durómetro utiliza una esfera de acero o carburo de diámetro D = 10 [mm] para penetrar la superficie del material con una carga P variable. Con esta carga la esfera puede penetrar una cierta distancia, dejando una huella de diámetro d en el material. La escala que usada en este tipo de durómetro, utiliza ambos parámetros (P, d) para tabular los valores de dureza.

Ensayo de Rockwell: Existen varios tipos de durómetros de Rockwell que se distinguen por la punta y la carga utilizada penetrar el material. En todos se obtiene la dureza utilizando la profundidad t de la penetración producida en el material a estudiar.

Ensayo de Vickers: El durómetro de Vickers utiliza una punta de diamante de forma piramidal para penetrar el material usando una carga P variable dejando una huella cuadrada en el material con diagonales de tamaño d. Con esto se obtiene el valor de dureza del material en la escala del durómetro.

Tenacidad

En ciencia de materiales, la tenacidad es la energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura por acumulación de dislocaciones, y está directamente relacionada con la resistencia y ductilidad. Por ejemplo, el vidrio, el hierro fundido y el acero endurecido son poco tenaces, porque sus ductilidades son muy bajas y en algunos casos casi cero, aunque tienen una buena resistencia (bastantes duros). Un metal como el cobre es bastante tenaz, pues tiene una buena resistencia y buena ductilidad. Mientras que una "goma de mascar" tiene menos tenacidad, ya que aunque la ductilidad es enorme su resistencia es muy baja.

Ensayo de Charpy.

El ensayo de Charpy, es un dispositivo a modo de péndulo (figura 1) ideado por Georges Charpy, diseñado para determinar la energía de impacto o tenacidad de un material. Para ello, se realiza un ensayo de impacto, donde una masa (martillo) golpea una probeta entallada (figura 2). Para poder calcular la energía absorbida por la probeta (en Joules) luego del impacto, se calcula mediante la diferencia de energía del péndulo antes y después de este. El problema de este método es que resulta muy inexacto medir la altura

5

a la que llega la masa, entonces como se sabe el ángulo inicial del péndulo y la máquina registra el ángulo final, mediante relaciones trigonométricas se llega a relacionar la energía absorbida en función de los ángulos y el largo del brazo.

Figura 1: Ensayo de Charpy Figura 2: Probeta entallada

Un punto importante de este tipo de ensayos, es que se puede determinar la temperatura de transición frágil-dúctil. Esto se consigue realizando el ensayo en iguales condiciones normalizadas, pero a distintas temperaturas. Lo que se hace es calentar o enfriar la probeta antes de realizar el ensayo (la distribución de temperaturas debe ser homogénea en toda la probeta). Se obtienen una serie de curvas características de cada material como las que se muestran en la Figura 3.

6

Figura N° 3 Curvas de transición frágil-dúctil para acerosen función de su porcentaje en peso de carbono.

Para materiales puros, la transición dúctil-frágil ocurre a una temperatura determinada, pero para el resto de los materiales con distintas composiciones la transición ocurre en un rango amplio de temperaturas. Además existen varias influencias micro-estructurales sobre la transición dúctil-frágil. Por ejemplo los aceros al introducir átomo de carbono intersticialmente (átomos de C son muy pequeños y ocupan intersticios) se produce un endurecimiento lo que hace al material menos tenaz. Cuanto más carbono se agrega hacemos más favorable la fractura frágil. Una de las influencias más importantes es la estructura cristalina (metales) del material.

7

Metodología.

Para la experiencia realizada se utilizaron 2 probetas de acero SAE1020, con la característica especial de tener una entalla en “V” en el centro de una da sus caras como se puede apreciar en la Figura N°4.

En forma previa al ensayo, se colocó una probeta en un recipiente con hielo seco (CO2) para disminuir su temperatura y se dejó una probeta a temperatura ambiente.

Para realizar el ensayo, se debió determinar previamente la pérdida de energía por roce en la máquina de ensayo, lo que determina la referencia para las mediciones de energía absorbida en la ruptura del material.

Una vez medidas las pérdidas por roce, se colocaron las probetas en la posición necesaria para dejar caer el martillo de impacto, que debía golpear a la probeta, como se indica en la figura 4. Cabe recalcar que antes de realizar cada ensayo, se midió la temperatura de cada probeta con un termómetro.

Enseguida, se registró la energía absorbida por el material, la que se encontraba indicada en la pantalla del equipo.

Una vez ensayadas todas las probetas, se procedió a medir la dureza con el durómetro portátil. Se realizaron 10 mediciones por cada probeta.

Figura N°4 Probeta de Acero SAE1020

8

Resultados y discusión.

Para efectos de análisis, resultados y discusión, llamaremos Probeta A, a la probeta sometida a temperatura ambiente, mientras que llamaremos Probeta B, a la probeta sometida a hielo seco.

Los resultados recopilados se presentarán a continuación:

Energía perdida por roce en el equipo: 0,106 Joule

Datos Probeta A

Temperatura: 23,5°C. Energía perdida durante el ensayo: 29,018 Joule. Tenacidad: 28,912 Joule. Dureza (tabla)

Tabla 1. Durezas probeta A

Medición Dureza (HV)1 1142 1463 1504 1075 866 1657 968 1429 8210 93

PROMEDIO 118,1

Datos Probeta B

Temperatura : -32,8°C Energía perdida durante el ensayo: 3,347 Joule. Tenacidad: 3,241 Joule. Dureza (tabla)

Tabla 2. Durezas probeta B

9

Medición Dureza (HV)1 2132 1683 1274 1255 1666 1387 1698 2099 20710 213

PROMEDIO 173,5

Con respecto a los resultados, se puede decir que se encuentran dentro de los parámetros esperados, ya que se logró apreciar que las tenacidades y durezas se comportaron de acuerdo a la teoría, es decir, la probeta A presentó una mayor tenacidad que la probeta B, debido a la disminución de la temperatura (pasar de 23,5°C a -32,8°C). Por otro lado, la probeta A presentó una dureza menor que la probeta B, también atribuible al mismo suceso, ya que el acero posee mayor dureza a menor temperatura.

A pesar de que los resultados fueron los esperados, podemos notar que existió una desviación estándar elevada para los valores, lo cual puede ser atribuible a:

Superficie de las probetas: Un problema que puede haber ocasionado la gran dispersión de los datos es que las superficies de las probetas no eran lisas, por lo que el contacto de estas superficies con el durómetro pudo no haber sido lo suficientemente bueno como para una correcta medición.

Cambio de temperatura: En el caso concreto de la probeta B, que se encontraba a -32,8°C, mientras se realizaban las mediciones, claramente hubo cambio en su temperatura ya que las cinco mediciones tomaron un tiempo suficiente como para que la temperatura no se mantuviese constante.

Un punto importante a destacar, es que la superficie de fractura para ambas probetas fue distinta. Se logró apreciar que la superficie de fractura de la probeta B era mucho más regular que la de la probeta A, lo que se puede asociar al hecho de que la probeta B sufrió fractura frágil y absorbió menos energía antes de romperse que la probeta A, la que sufrió fractura dúctil y absorbió mayor energía antes de romperse.

10

Conclusiones

En el laboratorio realizado se ha podido notar los efectos que tienen los cambios de temperatura sobre el acero de una manera real, lo que comparado con la teoría se acerca bastante debido a que las tenacidades y durezas relativas entre las probetas a distintas temperaturas coincidieron con lo esperado. Esto quiere decir que temperatura si influye en el comportamiento del acero, en particular en estas dos propiedades mecánicas que son la tenacidad y la dureza. Cabe destacar que se hubiese esperado una menor dispersión de los valores de dureza, pero esto pudo deberse a errores de medición, un tamaño muy pequeño de muestra o a que las superficies de las probetas eran muy irregulares.

Finalmente podemos concluir que es importante conocer los efectos de la temperatura sobre el acero, ya que este material es muy utilizado en al quehacer del hombre. En particular, este material es utilizado para la construcción, por lo que es de vital importancia para la seguridad de las personas saber cómo actúa frente a los distintos escenarios posibles de temperatura que existen. Por ejemplo, si se tuviese que construir una estructura de acero o utilizar acero en la construcción de algún edificio en una zona geográfica de temperaturas muy bajas, es de suma importancia saber que la tenacidad del acero se ve disminuida respecto a condiciones normales de temperatura, por lo que se deben tomar las precauciones necesarias para que no ocurra algún accidente.

11

Bibliografía.

1. Donoso, E., Ciencia de los materiales. Cuaderno de Trabajo. U-Cursos.

2. Callister, William D. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. Editorial Reverté S.A. Barcelona. 1995.

12