Prueba de impacto de Charpy en aceros conformados en frío y laminados en caliente en diversas condiciones de temperatura

Fuente: Roberto León, Departamento de Ingeniería Civil y ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Uno de los tipos más insidiosos de los fallos que pueden ocurrir en las estructuras son fracturas frágiles, que son en su mayoría por materiales de mala calidad o mala selección del material. Las fracturas frágiles tienden a ocurrir de repente y sin mucho material inelasticidad; pensar en una fractura de hueso, por ejemplo. Estas fallas ocurren a menudo en situaciones donde hay poca capacidad para el material a desarrollar tensiones de esquileo debido a condiciones de carga tridimensional, donde las concentraciones de la tensión local son altas, y donde un camino lógico y directo de la fuerza no fue suministrado por el diseñador. Ejemplos de este tipo de falla se observan tras el terremoto de Northridge de 1994 en estructuras de acero de varios pisos. En estos edificios, un número de las claves soldaduras fracturadas sin mostrar cualquier comportamiento dúctil. Las fracturas tienden a ocurrir cerca de las conexiones o en interfaces entre piezas de materiales de base, como soldadura tiende a introducir discontinuidades locales en tanto materiales y geometría, así como tensiones tridimensionales debido al enfriamiento.

Al especificar los materiales para una estructura que verá a temperaturas muy bajas (es decir, la tubería de Alaska) muchos ciclos de carga (un puente sobre una autopista interestatal) o donde la soldadura se utiliza extensivamente, es necesario tener una simple prueba que caracteriza el material robustez o resistencia a la fractura. En el campo de la ingeniería civil que prueba es la prueba de Charpy V-notch, que se describe en esta práctica. La prueba de Charpy con entalla en V se pretende proporcionar una medida muy simplista de la capacidad del material para absorber energía cuando es expuesto a una carga de impacto.

En estructuras metálicas, uno está interesado en obtener comportamiento dúctil, que hay un letrero o aviso de falla inminente. Por ejemplo, en una viga de acero, esto puede resultar en forma de deformación excesiva. Este rendimiento se cuantifica a través de la dureza del material, definida como el área bajo la curva tensión-deformación, que es la propiedad mecánica más estrechamente asociada con comportamiento dúctil o frágil. La dureza está relacionada con la resistencia y ductilidad. Mientras que la dureza es la capacidad del material para deformarse plásticamente antes de la falla, la ductilidad es la medida de cuánto material puede deformarse plásticamente antes de la falla. Un material que tiene alta resistencia pero baja ductilidad no es difícil, sólo como un material con baja resistencia y alta ductilidad no es difícil. En orden para un material a ser duro, debe ser capaz de absorber la alta tensión y alta tensión (ductilidad y fuerza).

El mismo material, un acero suave, por ejemplo, puede comportarse de una manera dúctil o frágil según la química de actualmaterial, procesamiento y las condiciones de carga. Hay por lo menos fivemain Controladores para este posible cambio en el rendimiento:

1. Molecular y microestructura del material, con tamaños de grano más finos lo que aumenta en fuerza y disminuye la ductilidad, y la presencia de grandes cantidades de aleaciones, como el carbono, a menudo dando por resultado una disminución de la ductilidad de los aceros más.

2. La transformación que sufre el material puede resultar en diferentes dureza en las placas de acero en la dirección del balanceo, perpendicular a él y en el grueso a través de la placa. Este último sentido es particularmente sensible ya que es difícil desarrollar una microestructura consistente en una placa de espesor.

3. Las condiciones de carga (carga en 3 dimensiones), que a menudo inhibe el desarrollo de las tensiones de esquileo. En 1 y 2-dimensiones de carga, generalmente uno encontrará situaciones de carga que dan lugar a grandes tensiones de esquileo y así un montón de comportamiento dúctil y rendimiento. En el límite, para una carga hidrostática 3D, no hay ninguna radio de a Círculo de Mohr, y así no hay ningún corte. En tales casos, el material no se producirá pero no de repente.

4. El aumento de la tasa de tensión, que conduce a mayores fortalezas pero reduce la capacidad de deformación.

5. Una disminución en la temperatura, que puede conducir a significativo, disminuye la dureza. Algunos materiales que podrían ser muy dúctiles a temperatura ambiente pueden ser muy frágiles si la temperatura se disminuye significativamente.

Para determinar si un material se comporta de forma frágil o dúctil, uno normalmente funciona una prueba de impacto Charpy V-notch. Hay otras pruebas similares, como la prueba de impacto de Izod, que es la prueba de dureza más utilizados en Europa. Estas pruebas pretenden medir la energía que puede absorber un volumen pequeño de material cuando se somete a una carga de impacto repentino. Como se señaló anteriormente, esta energía puede ser considerada para ser directamente relacionado con el área bajo la curva del stress-strain.

Cada muestra de Charpy con entalla en V para las pruebas de la resistencia al impacto ha estandarizado dimensiones es diseñado, apoyado y cargado para que fallará cuando se someten a un solo golpe aplicado de manera estandarizada. Es importante recordar que la medición de Charpy se relaciona con el volumen y la geometría de la probeta, y así los resultados son útiles para comparar el comportamiento relativo de los materiales y no por su valor absoluto.

Para llevar a cabo la prueba, una muestra pequeña, viga-como con una muesca en un lado (Fig. 1) está sometida a un impacto de un martillo de peso fijo cayó desde una altura fija (Fig. 2). El peso es generalmente entre 150 y 300 libras y puede caer de alturas diferentes producir diferentes cantidades de energía. La muesca en V está diseñada para inducir a una concentración de tensión, aumentando significativamente la tensión local. Cuando la viga está simplemente apoyada en los dos lados y pulsó abajo de la media, la viga se doblará en tensión Dónde está la muesca. Como resultado, esto creará una propagación de la grieta a través de la muestra cuando se golpea.

Figura 1: Muestra Charpy.

Figura 2: Máquina de prueba de Charpy.

En teoría, la energía potencial almacenada en una altura dada del martillo será completamente traducida en energía cinética justo antes de que el martillo golpea a la muestra Charpy, suponiendo que el péndulo es sin fricción. El martillo golpea a la muestra y fractura, cierta cantidad de esta energía cinética se consume. Se mide cuánto el péndulo oscila hacia arriba en la dirección opuesta. De la diferencia entre la altura inicial y la altura alcanzada después de la huelga, uno puede calcular la diferencia en energía potencial. Toda la energía que se ha perdido en este proceso puede ser asumida para ser absorbida por la probeta en la fractura. Este valor se considera igual a la dureza de la materia o el área bajo la curva del stress-strain.

Muchos metales, especialmente los aceros cúbica centrada en el cuerpo (BCC), exhiben un descenso muy fuerte en la absorción de energía a temperaturas comienza alrededor de los 40 o 50°F y alcance una baja meseta alrededor de-100°f el. numerosas estructuras expuestas hoy a la medio ambiente están dentro de este rango de temperatura, por lo tanto es importante entender la dependencia de la temperatura de la falta de metal. Por ejemplo, en la construcción de un oleoducto en el norte de Alaska donde las temperaturas pueden alcanzar valores muy bajos, sería importante entender la falla dependiente de la temperatura del metal. Sin embargo, la mayoría cúbico-cara-centrado cúbico (FCC) aceros, como aceros inoxidables, son impermeables a este efecto de la temperatura.

Fractura teórica fuerza, fractura también conocido como ideal, es sobre todo dependiente en la energía libre superficial y la distancia interatómicos. Un material ideal tendrá una resistencia de aproximadamente 1/8 a 1/10 de su módulo de elasticidad. La fuerza de fractura experimental real es mucho menor debido a defectos, huecos, metal inclusiones o impurezas. Por ejemplo, en una simple barra de acero en tensión, el estrés se asume uniforme, a excepción de cerca de los extremos donde se aplica la carga. Sin embargo, con la introducción de un agujero simple, circular, las fuerzas tienen a fluir alrededor del agujero, creando así una concentración de tensión al lado del agujero.

La magnitud de la concentración de tensión es proporcional al radio del agujero para el ancho de la muestra (r/w). A medida que el radio disminuye, el factor de concentración de estrés aumenta dramáticamente. Sin embargo, no hay ningunos agujeros perfectos en la naturaleza o productos artificiales; en general, habrá bordes irregulares a nivel microscópico y así se producirán concentraciones de tensión mucho más alta. Hay muchas imperfecciones y defectos en el metal enrejados cristalinos. Está cerca de estas concentraciones de tensión pequeñas grietas empiezan a formar, y cuando carga muy rápidamente, estas grietas propagan, se funden y causan en última instancia, el material no.

Este examen se cae en el área de mecánica de la fractura, que consiste en caracterizar la capacidad de un material para resistir la formación y propagación de grietas. Mecánica de fractura elástica lineal (LEFM) es un enfoque de energía, en donde la energía total del sistema es igual al trabajo debido a cargas aplicadas además de la energía de tensión almacenada más la energía necesaria para crear la nueva superficie de fractura. En su forma lineal, es muy útil para la caracterización de materiales frágiles que presentan plasticidad limitada. Hay varias limitaciones a LEFM aplicado a la prueba de Charpy, como una suposición falsa que ninguna energía se pierde a través de la plasticidad, a pesar de que hay una gran cantidad de plasticidad frente a la propagación de la grieta.

En este experimento probaremos varias muestras Charpy a diferentes temperaturas para ilustrar el efecto de la temperatura sobre la resistencia al impacto del acero suave.

1. Para preparar la máquina de prueba, primero asegúrese de que el camino del martillo está libre de obstrucciones. Una vez que el camino es claro, levantar el martillo hasta que se trabe y asegure la cerradura para evitar la liberación accidental del martillo.
2. Para preparar a las muestras, utilice el cuadro de frío para enfriar a una muestra de cada metal a una temperatura muy por debajo de congelación. Utilizar una placa para calentar a otro espécimen de cada metal a una temperatura por encima de 200 ° F.
3. Una vez que se levanta el martillo, colocar al espécimen en la máquina usando las pinzas, asegurándose de que esté centrado en la luminaria con la muesca hacia el lado a ser impactadas por el martillo.
4. Una vez que la muestra, ajuste el dial de la máquina exactamente 300 lb-pie. importante: Gire el dial con el mando. ¡No empuje en el puntero!
5. Para comenzar la prueba, quite la cerradura y liberar el péndulo presionando la palanca.
6. Después de la muestra se ha rota, el dial gage leerá la energía absorbida por el espécimen. Registrar este valor.
7. Una vez que se registra la energía absorbida, puede usar el freno de la máquina para detener el péndulo que hace pivotar. Puesto que el freno cambia el medidor de lectura, asegúrese de registrar los datos antes de usarlo.
8. Una vez que el péndulo se ha detenido, recuperar a la muestra y determinar el porcentaje de área de la cara fracturada que tiene textura fibrosa.

Después de repetir el experimento de mayo muestras y valores de temperatura, puede trazar la dependencia de la temperatura de la energía absorbida y ver claramente la existencia de un estante superior e inferior (o las porciones de plano horizontales). Estos estantes indican que hay clara minima y maxima que puede alcanzar para un determinado material y el procesamiento. El principal interés está en cuantificar cuidadosamente la temperatura de transición para minimizar el riesgo de que estos caen dentro de las temperaturas de funcionamiento de la estructura de la fase de diseño. Materiales similares sometidos a tratamientos mecánicos y calor diferentes mostrará algo similares estantes superiores e inferiores, pero también un cambio distinto en la temperatura de transición. La zona de transición hacia la izquierda tiende a disminuir el riesgo de fractura de una estructura; sin embargo, conlleva costes adicionales importantes en términos de procesamiento.

También cabe señalar que la prueba de Charpy es útil para la caracterización de materiales frágiles, que se mostrarán muy poca ductilidad. En la práctica, se utilizan pruebas Charpy para todo tipo de materiales, incluyendo metales muy dúctiles. Este uso es fundamentalmente incorrecto porque los procesos de deformación conduce a una falla frágil son diferentes de ésos en una falla dúctil. No ha sido posible obtener una prueba simple que puede utilizarse en un entorno de producción, como la Charpy, para semi-nodular o dúctiles materiales. Por lo tanto, es probable que las pruebas de Charpy serán siendo popular en un futuro cercano.

Impacto de prueba, en la forma de las pruebas de Charpy y de Izod, comúnmente se utiliza para medir la resistencia de los materiales metálicos a fractura frágil. La prueba de Charpy utiliza a una muestra pequeña de la viga con una muesca. La viga es cargada por un martillo grande unido a un péndulo sin fricción. La combinación de la tasa de deformación de esta secuencia de carga y la presencia de la muesca en V crea un resultado de concentración de estrés grande local en crack rápida propagación y partir de la muestra.

La prueba determina la energía absorbida por el material durante el fracturamiento comparando la energía potencial al principio y final de la prueba de medida de la posición del martillo de impacto. La magnitud de la energía absorbida depende del volumen del material en la muestra pequeña de la viga, por lo que los resultados son válidos sólo en un sentido comparativo.

Mecánica de fractura es un campo muy importante de estudios en todos los materiales, como nos recuerda que todos los materiales contienen defectos que la forma y el tamaño de la falla son importantes, y que una dirección en el diseño de la cuestión de la concentración de tensiones.

Una demostración de la importancia de la dependencia de la temperatura fue en la segunda guerra mundial cuando algunos barcos Liberty y petroleros T-2 literalmente por la mitad mientras estaba en Puerto. Para los barcos Liberty, este fracaso tenía que ver con las concentraciones de tensión que se induce durante la soldadura, así como fragilidad del acero casco debido a operaciones de soldadura y acompañadas por las temperaturas del mar frío.

La prueba de Charpy con entalla en V es parte de muchas normas de la ASTM y como tal, está presente en muchos productos que usamos todos los días. Una aplicación importante es en el diseño del puente donde se especifican aceros de más baja temperatura y alta temperatura límite Charpy (es decir, 20 libras-pies a-40°F y 40 ft-lbs a 80 ° F).

Energía de fractura es una propiedad del material muy importante. Si uno prueba una placa de cristal impecable con energía superficial γ_s= 17 x 10^-5 in-lb/in² y E = 10 x 10⁶ psi, la fuerza de fractura teórica sería aproximadamente 465, 000 psi, dada la ecuación de Griffith (σ_f = (2Eγ_s /Πa)^0.5). Si uno introduce un defecto, incluso con una magnitud tan pequeña como en 0,01, en el plato de cristal, la fuerza de fractura se reduce en tres órdenes de magnitud sólo 465 PSI, que es mucho más como lo que vemos en la vida real.

Otras aplicaciones dependientes de la temperatura para que una prueba de Charpy v-notch sería importante incluyen equipo para viajes espaciales, donde la temperatura varía overa gran variedad, así como para el equipo de trineo de prueba en la Antártida y otras regiones polares, donde dip de temperaturas muy por debajo de cero.