Fractura Frágil y Ensayo de Impacto

1Ing. H. vargas C.

Ing. H. vargas C. 2

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Ing. H. vargas C. 4

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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

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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].

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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.

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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

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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

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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