 |
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.
Def. 4. La tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturar. Evalúa la habilidad de un material de soportar un impacto sin fracturarse.
Def. 5: Según el canal ingeniosos: "la resiliencia es la energía acumulada por deformación antes de la rotura en condiciones de impacto".
 |
| 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. La tenacidad se corresponde con el área total bajo de la curva obtenida en el ensayo de tracción. 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:
- σpl : tensión proporcional límite (o límite de proporcionalidad)
- E : módulo de elasticidad o módulo de Young
- εpl : Alargamiento unitario ( o deformación unitaria)
- ur : módulo de resiliencia
O en términos de la energía absorbida en el impacto (Ea) y la sección o área de rotura (Sr):
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.
 |
| Gráfica del ensayo de tracción (Tensión-Deformación). Ejemplo de curvas de un material dúctil y de un material frágil. Nota: En la imagen podemos ver el límite elástico convencional (deformación del 0,2% o 0,002) Sy |
 |
| Ejemplos de fractura. Frágil (izquierda) y Dúctil (derecha). Fuente |
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 en pocos años (1941-1945), una media de tres barcos cada dos días.
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
|
 |
| Zona de transición dúctil-frágil. Fuente |
Hay dos métodos diferentes para evaluar la tenacidad. Se denominan ensayos de
Charpy y ensayo de
Izod. La diferencia entre los dos radica en la forma como se posiciona la muestra. En el ensayo Charpy la probeta está apoyada en sus dos extremos, mientras que en el ensayo Izod, la probeta se encuentra empotrada en un extremo. La probeta que se utiliza para ambos ensayos es una barra de sección transversal cuadrada dentro de la cual se ha realizado una talla o muesca en forma de V
que facilita la rotura de la misma por ese punto. Para que el ensayo pueda darse por válido es necesario que la probeta se haya fracturado.
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 = 8 mm x 10 mm = 80 mm2 Fuente
|
 |
Detalle de zona de impacto. Fuente
|
Para que el ensayo se considere válido es necesario que la probeta se rompa.
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:
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:
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). Realizando el ensayo a diferentes temperaturas podemos calcular la temperatura o rangos de temperatura de transición del material de dúctil a frágil.
ANEXO: máquinas de ensayo comerciales
 |
Especificaciones máquina para ensayo de impacto PCS-900. Fuente: Panantec Atmi
|
 |
| Péndulo de impacto HIT750P de |
Fuentes consultadas:
Más información en este blog:
