Ciencia de los materiales. Guía 2 1 CIENCIA DE LOS MATERIALES Ciencia de los materiales. Guía 2 Tema: EFECTO DE LA RESISTENCIA AL IMPACTO METÁLICOS 1 TEMPERATURA EN LA EN LOS MATERIALES Contenidos Resistencia al impacto a diferentes temperaturas Objetivos Específico Al finalizar la práctica, el estudiante será capaz de: • Determinar experimentalmente la energía absorbida por cargas de impacto en materiales metálicos a través de la realización del ensayo de impacto tipo Charpy. • Comparar la absorción de energía de impacto de diferentes materiales metálicos para igual condición de temperatura. • Por medio de una gráfica temperatura versus energía de impacto, estimar la temperatura a la cual el material cambia de un comportamiento frágil a dúctil. • Explicar las condiciones en las que es importante que un material absorba una gran cantidad de energía de impacto antes de fallar. Materiales y Equipo Item 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 cantidad 3 3 3 3 3 3 1 1 2 1 Designación (materiales por práctica) Probetas de aluminio AISI de 10x10x60 mm con muesca a 45º Probetas de acero AISI 1020 de 10x10x60 mm con muesca a 45º Probetas de acero AISI 1045 de 10x10x60 mm con muesca a 45º Probetas de bronce de 10x10x60 mm con muesca a 45º Probetas de material polimérico de 10x10x60 mm, sin muescas Probetas de cerámica de 10x10x60 mm, sin muescas Horno para el calentamiento de las probetas a ensayar Máquina para ensayo Charpy Tenaza de mecánico Tabla de colores para tratamiento térmico de ABASTEINSA Marco Teórico A menudo el ingeniero se ve en la necesidad de diseñar o sustituir componentes de máquinas sometidos a cargas repentinas, requiriendo que soporten estas condiciones sin fallar. La cuantificación de esta propiedad junto con otras como: resistencia a la cedencia, resistencia a la tensión, módulo de elasticidad, módulo de tenacidad y de resiliencia, ductilidad, etc. son datos que se requieren a la hora de seleccionar (o procesar) un Ciencia de los materiales. Guía 2 2 material a ser empleado para la fabricación de piezas que serán sometidas a diferentes condiciones de carga al estar en servicio. Las propiedades mecánicas antes mencionadas frecuentemente se encuentran en las cartas técnicas de cada material y éstas corresponden a ensayos realizados en condiciones ideales que precisamente no reflejan las condiciones de servicio variables a las que un material se verá sometido como cambios de temperatura, carga mecánica, ambiente corrosivo, desgaste, etc.; pues bien, la mayoría de los datos de las propiedades son obtenidos por medio de ensayos de tensión, de dureza, de termo-fluencia, de impacto, por mencionar algunos. Como los ensayos miden propiedades y características de un mismo material, la información obtenida de varios de ellos generalmente es complementaria. En cuanto a las cargas de impacto, existen varios ensayos que permite cuantificar tal propiedad, uno de ellos es el ensayo Charpy, y es catalogado como ensayo mecánico de tipo dinámico el cual consiste en golpear una muestra del material de interés con un péndulo pesado, que se suelta desde una altura h0 y describe una trayectoria circular, hasta romper la probeta hecha del material a ensayar y de dimensiones estándar (ver Fig. 2), quedando el péndulo a una altura final hf. En la figura 1 se presenta esquemáticamente el ensayo a realizar. Figura 1 Ensayo de impacto tipo Charpy. El principio de funcionamiento de este ensayo se basa en la física clásica de conservación de la energía pues, sí se conoce la altura inicial h0 y la final hf entre otras propiedades físicas inherentes al péndulo, es fácil calcular la energía potencial para cada estado. La diferencia entre ambas es la energía de impacto absorbida por la probeta (muestra del material de interés). La energía se mide de N-m [Joules] o lb-pie. Si este ensayo se repite con el material a diferentes temperatura al final se obtendría una curva como la que se observa en la figura 3 la cual representa el punto (intercepto entre línea continua y punteada) en el cual Ciencia de los materiales. Guía 2 3 el material presenta un cambio de comportamiento. El punto en cual se da tal cambio de denomina punto de transición dúctil - frágil. Figura 3a Curva de ensayo Charpy para diferentes temperaturas. Figura 3b Resultado de ensayo Charpy para materiales bcc (cc) y fcc (ccc) Pues bien, la energía absorbida por la probeta ensayada se puede expresar matemáticamente como sigue: E ab = E1 − E 2 Donde: E ab = Energía absorbida por la probeta. E1 = mgho = Energía potencial disponible en el punto inicial. E 2 = mgh f = Energía potencial final. Donde m es la masa del martillo y g la aceleración gravitatoria local. Estas ecuaciones serán utilizadas para verificar los resultados de ensayo a realizar en esta práctica (ensayo de Charpy). Procedimiento Nota: Guarde estrictamente las medidas de seguridad en manejo del péndulo. Alumnos que exhiban conducta inapropiada serán invitados a salir del laboratorio y perderán su nota de laboratorio. En la presencia de su instructor, proceda a realizar lo siguiente: (Ensayo a temperatura ambiente) 1. Abra la reja protectora. 2. Proceda a inspeccionar el funcionamiento de la máquina. Verifique el sistema de seguridad contra caídas accidentales y coloque el péndulo en su posición de inicio (ver fig. 1) 3. Cierre la reja protectora y haga pruebas en vacío (sin probeta) compruebe el funcionamiento del sistema de seguridad y de frenado del péndulo. 4. Seleccione la pieza a ensayar (según lista de materiales) y colóquela en el lugar que le indique su instructor, centrada y con la muesca opuesta al lado opuesto al punto donde golpea el martillo del péndulo. 5. Cierre la puerta de la reja protectora. 6. Ubique el indicador de la energía absorbida (regla graduada en “J”) y desplácelo hacia abajo (cero Joules). Ciencia de los materiales. Guía 2 4 7. Accione la palanca para que el péndulo caiga libremente. 8. Después de que el péndulo golpee la probeta frénelo magnéticamente hasta detenerlo en su punto de equilibrio estable. 9. Tome la lectura del indicador y anote el resultado en su guía de laboratorio. 10. Con los valores promedio de energía de impacto, haga una gráfica de temperatura versus energía absorbida para cada material ensayado. 11. Con base en los resultados, responda las siguientes preguntas: ¿Cuál es el comportamiento de los acero en el ensayo Charpy para diferentes temperaturas? ¿Qué material (de los ensayados) recomendaría para trabajar en lugares donde se esperan cargas de impactos a baja temperatura? ¿Qué material recomendaría para trabajo donde se esperan impactos sobre el material a alta temperatura? ¿Por qué la probeta tiene una muesca en uno de sus lados? Repita este procedimiento para todas las probetas, dos a temperatura ambiente, dos a baja temperatura y dos a alta temperatura (unos 200º C). Análisis de resultados Con los datos obtenidos en cada ensayo, proceda a llenar una tabla indicando también la temperatura a la que se realizó cada uno y colocando las observaciones al respecto de cada ensayo. Material Energía absorbida temperatura Energía absorbida Temperatura Energía absorbida Temperatura Tarea Complementaria Investigue y presente en el mismo informe (resumen, no página web completas) información sobre el comportamiento ante impactos a diferentes temperaturas de los materiales utilizados en la práctica. Compare los resultados obtenidos con la investigación efectuada y escriba sus conclusiones. Bibliografía 1) Avner, S. (1988) Metalurgia Física, México D.F. McGraw-Hill. 2ª edición 2) Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición 3) Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición. Ciencia de los materiales. Guía 2 5 4) Neely, J. E., Kibbe, R.R. y García Diaz, R. (1992) Materiales y Procesos de Manufactura. México D. F. Limusa. 5) www.steel.org/ 6) www.sae.org/ 7) www.astm.org/ 8) www.matweb.com/ 9) http://asminternational.org Rúbricas para este laboratorio Aspecto a evaluar: Puntaje obtenido/Puntaje máximo Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la investigación, Nombre del tema, Nombres de los autores, fecha de entrega. Todas las partes deberán ser legibles Requisito Objetivos y Procedimiento abreviado Requisito Examen previo (individual) 30 Mediciones efectuadas y Tablas de datos Requisito Cálculos efectuados correctamente Requisito Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web y otros (al menos en 3 sitios confiables) 10 Cuestionario contestado correctamente 10 Gráficas solicitadas 10 Discusión y conclusiones: Comparación de los resultados experimentales con lo reportado en libros o sitios confiables (éstos se tomarán como los valores teóricos), indicar si se lograron los objetivos o no y porqué. Si fuera insuficiente la información para hacer las comparaciones, indicar las fuentes consultadas, a fin de que la nota no sea afectada. 35 Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo Requisito La ortografía debe ser impecable. La redacción debe ser clara y concisa. 5 No lleva gabacha (individual) - 10 Cálculos erróneos - 10 No lleva guía de laboratorio (individual) - 10 No colabora o se comporta indebidamente (individual) - 10 TOTAL 100 Comentarios Ciencia de los materiales. Guía 2 6 El informe se entregará una semana después del laboratorio, ejemplo: si el laboratorio se efectúa el lunes, a mas tardar el lunes siguiente se entregará al responsable del laboratorio. Entrega tardía: 10 % menos cada día. Si no cumple con los requisitos se devolverá el informe, con la condición de regresarlo el día siguiente, descontándosele 10 % por no cumplir con los requisitos y por cada día de retraso se descontará 10 % adicional. El alumno deberá respetar la normas de seguridad del laboratorio, si hay violación a estas normas, el instructor podrá expulsar de la sesión al infractor, conllevando a la perdida de la nota de esa sesión, sin posibilidad de solicitarla diferida.