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viernes, 10 de octubre de 2025

Ensayo de resiliencia: péndulo Charpy. Ensayo de Impacto Charpy

Georges Charpy. Químico francés. 1865-1945

El ensayo del péndulo Charpy nos mide el módulo de resiliencia de un material. Es un ensayo mecánico dinámico destructivo. También se conoce como ensayo de flexión por choque o ensayo de impacto Charpy. Fue desarrollado inicialmente por el químico francés Georges A. Albert Chapy en 1905.

Entre sus aplicaciones para materiales metálicos tenemos: la determinación de la temperatura de transición dúctil-frágil y como prueba de pasa-no-pasa de tenacidad a fractura.

Tenacidad - Resiliencia

Def. 1: La resiliencia es la capacidad de un material de absorber energía en la zona elástica al someterlo a un esfuerzo de rotura.

Def. 2: La resiliencia es la capacidad para volver al estado original elásticamente antes de deformarse permanentemente (medido en energía de deformación máxima por unidad de volumen). Similar a la tenacidad, que mide la energía absorbida hasta la rotura.

Def. 3: La resiliencia es la medida de la capacidad de un material de absorber energía elástica antes
de la deformación plástica.

La resiliencia es el área bajo la curva en la zona elástica.

La resiliencia se diferencia de la tenacidad en que ésta cuantifica la cantidad de energía almacenada por el material antes de romperse, mientras que la resiliencia tan sólo da cuenta de la energía almacenada durante la deformación elástica.

En ciencia de materiales, la tenacidad es la energía de deformación total que es capaz de absorber o acumular un material antes de alcanzar la rotura en condiciones de impacto, por acumulación de dislocaciones. Por otra parte, la resiliencia también se puede calcular como relación entre la energía absorbida por un material en un choque brusco y la sección de rotura.

Relación entre el esfuerzo y la deformación- Curva del ensayo de tracción. La resiliencia es el área bajo la curva en la zona verde. Fuente

Cálculo de la resiliencia:

Gráfica Tensión-Deformación. El área sombreada se corresponde con el módulo de resiliencia del material.

Para un material elástico lineal, la resiliencia puede ser calculada por medio del área bajo la recta proporcional elástica, es decir, mediante la ecuación:

Siendo:

σ_{pl :}tensión proporcional límite (o límite de proporcionalidad)
E : módulo de elasticidad o módulo de Young
ε_pl : Alargamiento unitario ( o deformación unitaria)
u_r :módulo de resiliencia

O en términos de la energía absorbida en el impacto (E_a) y la sección o área de rotura (S_r):

Tipo de material: Un material frágil tendrá baja resiliencia (y tenacidad) y un material dúctil tendrá una resiliencia alta, es decir absorben mucha energía durante el impacto.

Importante: Existen varios factores que afectan a la resiliencia de un material y por tanto a su comportamiento frágil o dúctil. Los principales son:

Velocidad del impacto. A mayor velocidad de impacto, menor resiliencia (aumento de la fragilidad).
Radio de entalla. A menor radio de entalla, mayor fragilidad.
Temperatura. A menor temperatura, menor resiliencia y aumento de la fragilidad. Es importante realizar ensayos con el mismo material a distintas temperaturas para determinar la temperatura de transición del material de dúctil a frágil.

Gráfica de la resiliencia de un material según la temperatura. La prueba Charpy permitió determinar la temperatura de transición frágil-dúctil de los aceros. Por debajo de esta temperatura, los aceros más comunes se vuelven muy frágiles. Fuente imagen: Canal YT Ingeniosos

La temperatura de transición fue especialmente importante en varios hundimientos de buques de carga de la clase "Liberty" construidos por los EEUU durante la segunda guerra mundial. Las bajas temperaturas del océano atlántico provocaron que el acero se hiciera más frágil. Esto produjo que aparecieran grietas en el casco y en algunos casos extremos, hicieron que el buque literalmente se partiera en dos.

Las causas principales de la tendencia a una fractura estructural de dichos barcos fueron asociadas mayormente al uso de ciertas técnicas de soldadura; a una ejecución defectuosa; y en menor medida a un mal diseño, estructuras muy tensionadas y acero laminado de mala calidad en las planchas, que se volvía quebradizo a bajas temperaturas. En total se botaron unos 2700 buques de la clase Liberty.

Buque clase "Liberty". Fuente

La temperatura de transición se determinó para las placas del casco del Titanic, recuperadas del naufragio. Es superior a 0 °C, por lo que cuando el barco chocó contra el iceberg, el casco se desgarró catastróficamente en lugar de deformarse.

Hundimiento del RMS Titanic. Fuente: Por ArtistostelesUwe KilsUser:Wiska BodoHefePine23 - A este archivo se le ha extraído la siguiente imagen: Iceberg.jpg.A este archivo se le ha extraído la siguiente imagen: Titanic Stardboard Side Diagram.jpg.A este archivo se le ha extraído la siguiente imagen: Titanic side plan annotated English.png., CC BY-SA 4.0.

Las bajas temperaturas también estuvieron asociadas al accidente del transbordador espacial Challenger que se desintegró el 28 de enero de 1986 a los 73 segundo de despegar del Centro Espacial John F. Kennedy (Florida). Parece que la causa del accidente estuvo en unas juntas tóricas que debido al frío del día del despegue perdieron flexibilidad y se pusieron rígidas (frágiles). Según se indica en Wikipedia: "El fallo de la junta causó la apertura de una brecha, permitiendo que el gas caliente presurizado del interior del motor del cohete sólido saliera al exterior y contactara con la estructura adyacente de conexión con el SRB y el tanque externo de combustible."

El Challenger haciendo rodaje durante su misión STS-8. Fuente

Máquina de ensayo: Péndulo Charpy:

El ensayo se rige según la Norma UNE-EN ISO 148-1:2017 (Materiales metálicos. Ensayo de flexión por choque con péndulo Charpy). Es un ensayo mecánico, dinámico de tipo destructivo.

Esquema simplificado del ensayo de resiliencia con péndulo Charpy. todotecnologia-eso.blogspot.com

Probeta normalizada Charpy. Probeta estándar (55x10x10 mm) entalla en V de 2 mm de profundidad. Superficie de rotura = 80 mm² Fuente

Detalle de zona de impacto. Fuente

Para que el ensayo se considere válido es necesario que la probeta se rompa.

Simulador online del ensayo Charpy. Virtual Labs

Objetivo del ensayo:

Según la definición 1, podemos determinar la resiliencia como la energía acumulada por la deformación antes de la rotura en condiciones de impacto.

Procedimiento y cálculo del ensayo:

El péndulo o martillo se levanta a una altura inicial h, acumulando energía potencial. Al liberarlo, cae y golpea la probeta, fracturándola. El material se rompe por el esfuerzo cortante dinámico aplicado. El péndulo sube hasta una altura final, h'. La energía absorbida por la probeta (variación de energía potencial inicial y final) dividida por la sección de impacto será el módulo de resiliencia KVC o ρ.

El módulo de resiliencia se calcula mediante la expresión siguiente:

Esquema ensayo péndulo Charpy. Fuente: Canal YT Ingeniosos

Clic para ampliar. Fuente: todotecnologia-eso.blogspot.com

Nota: Se desprecian las pérdidas mecánicas y de rozamiento con el aire.

Superficie de rotura: Observar que la probeta normalizada tiene una entalla de 2 mm:

Detalle de la probeta. Fuente: Canal YT Tecnología con clase. Juan Luis Naveira

Conclusiones: Según el valor obtenido podemos conocer si un material es dúctil (alta resiliencia y capacidad de deformación) o frágil (baja resiliencia y rotura sin deformación o con poca deformación).

ANEXO: máquinas de ensayo comerciales