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ensayo impactoingenieria de materiales
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Fractura Frágil y Ensayo de Impacto
1Ing. H. vargas C.
Ing. H. vargas C. 2
Ing. H. vargas C. 3
Ing. H. vargas C. 4
Ing. H. vargas C. 5
Ing. H. vargas C. 6Boston Molasses Disaster
Causes of the Rapid Sinking
On an expedition in 1991 to the Titanic wreck, scientists
discovered a chunk of metal lying on the ocean floor that once
was a part of the Titanic's hull. The Frisbee-sized piece of
steel was an inch thick with three rivet holes, each 1.25 inches
in diameter [Gannon, 1995]. Since the retrieval of this piece of
steel, extensive research has been done to uncover additional
clues to the cause of the rapid sinking of the Titanic. The
following is a discussion of the material failures and design
flaws that contributed to the disaster
Ing. H. vargas C. 7
Material Failures
When the Titanic collided with the iceberg, the hull steel and the wrought iron
rivets failed due to brittle fracture. A type of catastrophic failure in structural
materials, brittle fracture occurs without prior plastic deformation and at
extremely high speeds. The causes of brittle fracture include low
temperature, high impact loading, and high sulphur content. On the night of
the Titanic disaster, each of these three factors was present: the water
temperature was below freezing, the Titanic was travelling at a high speed on
impact with the iceberg, and the hull steel contained high levels of sulphur.
The Hull Steel. The first hint that brittle fracture of the hull steel contributed to
the Titanic disaster came following the recovery of the piece of hull steel from
the Titanic wreck. Jagged and sharp, the edges of the piece of steel appeared
almost shattered, like broken china. Also, the metal showed no evidence of
bending or deformation. Typical high-quality ship steel is more ductile and
deforms rather than breaks [Gannon, 1995].
Ing. H. vargas C. 8
Ing. H. vargas C. 9
Further evidence of the brittle fracture of the hull steel was found when a
cigarette-sized coupon of the steel taken from the Titanic wreck was subjected to
a Charpy test. Used to measure the brittleness of a material, the Charpy test is
run by holding a coupon against a steel backing and striking the coupon with a
67 pound pendulum on a 2.5-foot-long arm. The pendulum's point of contact is
instrumented, with a readout of forces electronically recorded in millisecond
detail. A coupon from a piece of modern high-quality steel and a coupon from
the Titanic steel were both placed in a bath of alcohol at -1C to simulate the
conditions on the night of the Titanic disaster. When the coupon of the modern
steel was tested, the pendulum swung down and halted with a thud; the test
piece had bent into a "V." When the coupon of the Titanic steel was tested,
however, the pendulum struck the coupon with a sharp "ping" and continued up
on its swing. The sample, broken into two pieces, sailed across the room
[Gannon, 1995]. What the test showed, and the readout confirmed, was the
brittleness of the Titanic's hull steel. When the Titanic struck the iceberg, the hull
plates did not deform. They fractured.
La Fractrura Frágil y el Ensayo de Impacto.Desarrollado como consecuencia de numerosos accidentes ocurrridos en el Siglo XIX.Factores que contribuyen a la fractura frágil por clivaje: a) estado Triaxial de Tensiones. b) baja temperatura. c) alta velocidad de deformación o de aplicación de carga.
10Ing. H. vargas C.
Ing. H. vargas C. 11
Probetas entalladas para el Ensayo de
Impacto: Charpy e Izod. Existen otras.Son utilizadas para determinar la tendenciade un material a comportarse de manerafrágil. Restricciones plásticas en la raíz delentalle producen un estado triaxial detensiones. La concentración máxima detensiones det tipo plástico está dado por laEcuación de la izquierda.
La medición principal en el Ensayo de Impacto es la Energía absorbida por la probeta, esta se designapor Cv, en Kg-m, Lb-Ft o Joules. En Europa este valor se expresa referida a la sección por debajo delentalle Kg-m/cm2.Otra medición resultan de la observación de la fractura : Fibrosa (Fractura por corte), granular(fractura por clivaje) o una mezcla de ambas. Por lo general se estima el % de Fractura Frágil (de 100a 0%). La fractura fibrosa aparece alrededor de la superficie exterior de la probeta (labio de corte) endonde la restricción triaxial es la mínima.Una tercera medición es la ductilidad que se indica por el porcentaje de contracción de la probeta enel entalle.El ensayo tiene significado cuando se realiza a diversas temperaturas (ebullición del N2 =-196oC,sublimación del CO2 = -78.5oC, Punto de fusión del Eutect. Agua-ClNa= -21oC, P.F. Hielo, Temperaturaambiente, temperatura del agua en ebullición, Temperatura de 120oC o más en estufa).Los materiales de baja resistencia de la red BCC, a bajas temperaturas se fracturan también a bajasenergías de impacto (M Fragil). A altas temperaturas esta energía es también alta (M Dúctil). Existeun rango de temperaturas a la que se realiza dicha transición. 12Ing. H. vargas C.
La selección de Materiales depende de la TT. Ejem. La Selecc entre A y B
“A” presenta alta tenacidad al entalle a T ambiente, pero a baja T …
- Factores que afectan laReproducibilidad de los ensayos.- Ventaja del E. Charpy- sirve para medir diferencias detenacidad influencia de aleantes yTratamientos Térmicos.- Se le utiliza para el Control deCalidad.- Cv no es utilizable en el Diseñomecánico.- No existe correlación entre Cv ytamaño de grieta.-Dispersión de datos no posibilitaestimar fácilmente la TT
13Ing. H. vargas C.
Ing. H. vargas C. 14
Fotografía de las superficies de fractura de probetas Charpy de entalle en V del
acero estructural A-36 ensayadas a las temperaturas indicadas en oC (indicadas
en la parte superior de cada probeta)
Ing. H. vargas C. 15
Con probetas prefisuradas por fatiga se obtienen valores de Kid útiles en Mec. Fract.
En el E. CharpyInstrumental se determinala historia de la carga deimpacto en el tIempo.Se determina energía enel inicio, y propagación dela fractura, además de Py,Pmax y Pf. Buena Correlaciónentre Valores de fórmula y E.Charpy convencional
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Fractografias obtenidas en el microscopio electrónico
de barrido. La Fig. 7.7 corresponde a una fractura por
clivaje (Mat. Frágiles), la Fig. 7.9 corresponde a una
fractura dúctil, de apariencia similar a pequeños
cráteres (dimples) típica de los materiales dúctiles. La
Fig. 7.8 corresponde a una fractografía
correspondiente a los dos modalidades de fractura
(quasiclivaje) que se da en la zona de transición de
temperaturas entre el comportamiento frágil y dúctil.
Significado de la Temp. de Transición-Finalidad del Ensayo Seleccionar Materialesresistentes a la Fractura Frágil mediante adecuada TT- Filosofía: que el Material presente suficienteTenacidad al Entalle cuando sea sujeto a condicionescríticas de servicio tales que pueda resistir las cargasimpuestas calculadas a través de los métodosconvencionales de la Resistencia de Materiales sinconsiderar sus propiedades de fractura o laconcentración de tensiones de fisuras o grietasinternas del material.Comportamiento de la Transición de Temperaturas:Categorías de acuerdo al materialFilosofía del Diseño: TT por encima de la cual la FF nose producirá a niveles de tensión elásticos.
17Ing. H. vargas C.
Consideraciones de Diseño contra Fractura Frágil
De acuerdo a la experiencia se sabe que la probabilidad
de fractura frágil es menor a 50% si la temperatura del
acero corresponde a una temperatura de transición para
un % de fractura de clivaje (frágil) del ensayo charpy-v
igual a 60 siempre que la estructura tenga como
máximo una tensión admisible del 50% de su resistencia
a la fluencia. Este criterio también es aplicable bajo los
mismos términos con referencia a la temperatura de
transición (T3)
Fig. 14-6 Diversos criterios (5) para designar la
temperatura de transición a partir del ensayo Charpy-v
Fig. 14-5 Efecto de la temperatura sobre la
tenacidad del entalle (esquemático)
Materiales FCC
Materiales de baja
Resistencia BCC
Materiales de Alta resistencia
18Ing. H. vargas C.
Fig. 14-7 Efecto del contenido de carbono
en la relación Energía absorbida-
Temperatura de transición para diferentes
aceros Fig. 14-8 Efecto de la orientación de la probeta
charpy con relación a las curvas de transición de
temperaturas
Dirección de Rolado
19Ing. H. vargas C.
Fig. 14-10 Efecto del espesor de la probeta
charpy con respecto a las curvas de transición
de temperaturas (TT). Obsérvese que la de
mayor espesor reporta una TT mayor con
respecto a la de menor espesorFig. 14-9 Dependencia de la resistencia al impacto (y
TT) para diversas aleaciones de acero
20Ing. H. vargas C.
Ensayos a Gran Escala
Con la finalidad de ensayar al impacto secciones reales (espesores) del
material estudiado. Por la apariencia de la fractura sea por explosión o por la
caída de una masa (peso) de gran magnitud y altura se trata de correlacionar
dichos estados con la temperatura de transición.
21Ing. H. vargas C.
En el ensayo dinámico de desgarro (DT), el equipo es parecido al utilizado en el ensayo
charpy-V con la diferencia de que es de mayor dimensión. La probeta mostrada en la
Fig. 4-13 presenta superficies de fractura mostradas en la Fig 14-17 y que se relacionan
con las temperaturas mostradas en la Fig 14-6 .
En el ensayo Robertson (Fig. 14-14), o de
detención de fisura, la probeta es sujeta a una
determinada tensión y se le aplica impacto por
un extremo que previamente ha sido enfriado non
N2 líquido. Luego del impacto la fisura se
detendrá a una determinada distancia cuya
temperatura podrá ser determinada (CAT).
22Ing. H. vargas C.
Fig. 14-15 Dependencia de la resistencia a la fluencia
(σo), resistencia a la tensión (σu), y resistencia a la
fractura con la temperatura para un acero que
contiene fisuras de diferentes tamaños.
Fig. 14-16 Diagrama de Análisis de
Fractura que muestra la influencia de
diferentes tamaños iniciales de grietas.
23Ing. H. vargas C.
Fig. 14-17 Resultados del Ensayo DT
(Ensayo Dinámico) Fig. 14-18 Curva Fractura - Retraso
24Ing. H. vargas C.
Fig. 14-19 Ploteo del Factor de intensidad de
tensiones (Mecánica de la Fractura) para datos de
ensayo de corrosión bajo tensión
Fig. 14-20 Tres etapas del Fisuramiento
ambiental asistido bajo una carga constante
en un medio agresivo (esquema)
Ing. H. vargas C. 25
Ejercicio. En un ensayo de impacto (Charpy-v) realizado sobre un acero 1070, se han obtenido los
siguientes resultados
Temp, oC
Energía
Absorbida
Cv, Ft-Lb
% Fractura
Frágil
%
Contracción
Lateral
-100 6.0 100 0.00
0 6.2 94 0.00
25 6.0 88 0.00
100 8.0 81 0.00
150 13.0 56 0.53
200 20.0 19 0.77
300 19.0 0 2.50
400 22.0 0 3.00
Con las mejores curvas de ajuste, determinar:
1. Las temperaturas de transición (del comportamiento Frágil a Dúctil) de acuerdo a los métodos
estudiados (Fig. 14-6)
2. Si la resistencia a la fluencia de este acero es 180000 psi a la temperatura de 25oCy 120000 psi a
100oC, determine la ecuación que permita calcular la resistencia a la fluencia a cualquier temperatura
suponiendo que es aplicable el siguiente modelo matemático:
𝜎 = 𝐶2𝑒𝑥𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙(𝑄
𝑅𝑇) en la que σ, es la resistencia a la fluencia, C2 una constante, Q es la energía de
activación para flujo elástico en cal/mol-g, R la constante de los gases ideales igual a 1.987 cal/(oK
mol-g), y T la temperatura en oK.
3. ¿Por encima de que temperatura existe una baja probabilidad de que este acero sufra fractura frágil,
y para ello que esfuerzo admisible de trabajo debería de utilizarse?
Ing. H. vargas C. 26
Fin de la presentación
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