Informe 2: Ensayos de Charpy Ciencias de los Materiales CM3201

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1 Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ciencia de los Materiales Informe 2: Ensayos de Charpy Ciencias de los Materiales CM3201 Alumno: Pablo J. Cabello H. Grupo: 1 Ayudante: Javiera Azagra Fecha Realización: 1/Octubre/2012 Fecha Entrega: 3/Octubre/2012

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3 Índice 1. Resumen 4 2. Introduccion 4 3. Resultados 7 4. Discusión 8 5. Bibliografia 9 3

4 1. Resumen En este informe de laboratorio se obtendran las propiedades de una barra de Acero SAE 1020 utilizando 2 instrumentos, el pendulo de charpy y el durometro, esto con tal de analizar el efecto de la temperatura sobre las propiedades mecanicas del material. Podemos adelantar que, a partir de un analisis de los datos se obtuvo los siguiente valores de dureza y tenacidad del Material: Material: Dureza: Tenacidad: Acero SAE 1020 a 5C 172,14[HV ] 35,390[J] Acero SAE 1020 a 26C 100,71[HV ] 3,666[J] En el presente informe se explicaran los conceptos correspondientes a las propiedades mencionadas mas arriba y los instrumentos con que se miden, a su vez se explicara como se miden a partir de estos intrumentos y se explicara la metodologia utilizada con tal de disminuir los errores asociados a las mediciones. 2. Introduccion Tal como se dijo anteriormente, en esta experiencia se utilizaran dos instrumentos con tal de analizar el efecto de la temperatura en las propiedades del Acero SAE 1020, especificamente se analizara las propiedades de este material a 5C y a temperatura ambiente (26C al momento de la prueba). Pero, antes de poder entender el funcionamiento de estos instrumentos se debe entender las propiedades que mide cada uno, y que corresponden, respectivamente, a la tenacidad y la dureza del material. Tenacidad y Pendulo de Charpy: Esta propiedad cuantifica la capacidad del material para absorber energia antes de romperse. En el ensayo de charpy se utiliza un pendulo de charpy, que posee en su extremo una cuchilla, la cual es lanzada desde una altura con tal de que choque contra el material cuyas propiedades se desean analiza, para calcular la tenacidad se aprovecha la ley de conservacion de la Energia para el calculo puesto que estas nos dicen que: E inicialpendulo W roce = E ruptura + E finalpendulo 4

5 Luego, basta para obtener la tenacidad calcular E ruptura que se puede obtener de la siguiente manera: 1. Se obtiene una aproximacion de W roce, soltando la cuchilla sin instalar en la maquina ningun material 2. E inicialpendulo se calcula sabiendo la altura inicial del pendulo 3. Se calcula E finalpendulo como la energia potencial del pendulo asociado a la altura maxima alcanzada por el pendulo luego de chocar contra el material. 4. Con estos datos,se obtiene el valor aproximado de E ruptura, asumiendo que otros factores son despreciables, como la energia cinetica tranferida a la pieza, energia perdida debido al choque mismo, energias perdidas asociadas a desviaciones del pendulo en direcciones distintas a las de su movimiento usual, etc... Dureza y Durometro: Esta caracteristica cuantifica la resistencia de la superficie de un material a ser deformada debido a esfuerzos generados por otro material, que, idealmente, no sufre deformaciones. Esta propiedad es medida con el instrumento llamado durometro, estos instrumentos utilizan de forma generica elementos para penetrar la superficie del material cuya dureza se quiere caracterizar. Existen distintos tipos de durometros que utilizan distintas formulas y escalas para la caracterizacion, entre ellos mencionaremos 3 tipos importantes de durometros: 1. Brinell: Este tipo de durometro utiliza una esfera de acero o carburo de diametro D = 10[mm] de diametro 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 diametro d en el material. La escala que usada en este tipo de durometro, utiliza ambos parametros (P, d) para tabular los valores de dureza de la forma: 2P Dureza = πd(d D 2 d 2 ) 2. Vickers: El durometro 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 cuyas diagonales de tamao d, con esto se obtiene el valor de dureza del material en la escala del durometro de la forma: Dureza = AP d 2 Con A una constante del metodo. 5

6 3. Rockwell: Existen varios tipos de durometros de rockwell, que se distinguen por la punta y la carga utilizadas penetrar el material. En todos se obtiene la dureza utilizando la profundidad t de la penetracion producida en el material a estudiar. Prueba Carga utilizada Tipo de punta Formula de la Dureza A 60 Punta C 150 conica de Dureza = t D 100 diamante B 100 Punta F 60 esferica Dureza = t G 150 de acero 6

7 3. Resultados Ensayo de Charpy: Para conseguir las propiedades del material a ambas temperaturas se realizaron 3 mediciones, una de calibracion, sin ningun material y las otras con ambos aceros, de estas se obtuvieron los siguientes valores: Prueba: E perdida : Tenacidad 1 : Calibracion 0,068[J] Acero SAE 1020 a 26 C 35,458[J] 35,390[J] Acero SAE 1020 a 5 C 3,734[J] 3,666[J] 1) Corresponde a la resta entre E perdida en la prueba y E perdida en la calibracion Ensayo de Dureza: Utilizando un durometro de Vickers se obtuvieron los siguientes valores de dureza para el material a ambas temperaturas: Material a 26 C Material 5 C 108[HV ] 293[HV ] 178[HV ] 81[HV ] 100[HV ] 212[HV ] 153[HV ] 200[HV ] 83[HV ] 138[HV ] 185[HV ] 134[HV ] 113[HV ] 128[HV ] 93[HV ] 219[HV ] 100[HV ] 266[HV ] 108[HV ] 174[HV ] Pero a la hora de utilizar estos datos para comparar las caracteristicas de ambos materiales se buscaran valores que no escapen mucho de una desviacion estandar. Para esto se seguira de la siguiente manera: 1. Se obtienen los puntos que aun se consideran validos 2. Se calcula su promedio y desviacion estandar 3. Se descartan aquellos valores que se encuentran demasiado fuera de un rango de una desviacion estandar alrededor del promedio. 7

8 4. Se itera hasta que los valores esten dentro del rango mencionado anteriormente Con este metodo se mantuvieron los siguientes valores: Medicion Material a 26 C Material 5 C 1 108[HV ] 200[HV ] 2 100[HV ] 212[HV ] 3 83[HV ] 138[HV ] 4 100[HV ] 134[HV ] 5 113[HV ] 128[HV ] 6 93[HV ] 219[HV ] 7 108[HV ] 174[HV ] Promedio: 100,71[HV ] 172,14[HV ] Desviacion: 10,26[HV ] 39,02[HV ] 4. Discusión Lo primero que se debe notar de los datos obtenidos es que no existe una relacion directa entre la dureza y la tenacidad de un material, es decir, no se puede concluir que un material de alta dureza sea a su vez de alta tenacidad. Otra cosa que cabe notarse es el hecho que la temperatura tiene un efecto significativo tanto en la dureza como en la tenacidad, que se puede expresar como que a mayores temperaturas, disminuye la tenacidad, el material absorbe menos energia antes de romperse, pero es mas dificil rayar su superficie, osea, es mas duro. Ademas se debe mencionar el hecho que las mediciones hechas con el durometro tuvieron mucha variabilidad, esto puede deberse a que el material en si no es homogeneo o a errores de medicion en el durometro (por ejemplo, que el material de la punta del durometro se haya deformado en algunos puntos). Ademas, de los datos obtenidos, esta variabilidad obtenida parece tener una dependencia con la temperatura del material, puesto que la desviacion estandar de los datos a 5C fue bastante mayor que la desviacion estandar a 26C, pero debido a que no se trabajo con mas muestras, no se puede corroborar eta informacion. Por ultimo, un aspecto que se vio durante el laboratorio, fue que el tipo de corte que ocurrio en cada material al realizar el ensayo de Charpy, en el caso del Acero 5C la superficie de ruptura fue muy lisa, hecho consistente con una fractura fragil, hecho que es congruente con el valor de tenacidad obtenido para este acero, mientras que en el Acero a 26C la superficie de ruptura era mas rugosa, lo cual es consistente con la mayor tenacidad de este. 8

9 5. Bibliografia 1. Dureza.pdf disponible en gcalle/contenido/durezahb.htm 2. Capitulo 6 Mecanica de la Fractura y Tenacidad disponible en pdf Fractura 3. Capitulo 6 Propiedades Mecanicas, E. Donoso. 9