INGENIERIA DE EJECUCIÓN EN MECANICA.

LABORATORIO N° 4: ENSAYO DINÁMICO^[1]

Los ensayos “dinámicos” o de “impacto” se realizan para determinar la respuesta de los materiales ante la acción de cargas de elevada magnitud pero que ocurren en un lapso de tiempo extremadamente corto, es decir, en un “instante”. Aunque muchas estructuras quedan en algún momento sometidas a cargas dinámicas, muchas máquinas o partes ellas están sometidas comúnmente a este tipo de cargas. Según esta consideración, es sabido que el comportamiento de algunos materiales bajo cargas dinámicas puede diferir marcadamente del que presentan cuando son sometidos a cargas estáticas o lentamente aplicadas.

Un tipo importante de carga dinámica es aquel en que la carga se aplica súbitamente como en el caso del impacto de una masa en movimiento. A medida que cambia la velocidad de un cuerpo al golpear debe ocurrir una transferencia de energía, es decir, se realiza trabajo sobre el cuerpo que recibe el golpe. Entonces, la mecánica del impacto involucra no solamente la cuestión de los esfuerzos incluidos, sino también una especial consideración de la transferencia, absorción y disipación de la energía.

La energía de un impacto puede absorberse de varias maneras: generando deformación de los cuerpos (y en casos severos la ruptura), liberando cantidades de calor, aumentando la inercia de partes o cuerpos en movimiento, entre otras. AL tratar los problemas de las cargas de impacto resulta primordial conocer las respuestas que los distintos materiales presentan ante este tipo de exigencias.

1. OBJETIVOS

• Determinar la resiliencia de distintos materiales sometidos a cargas de impacto;
• Analizar el comportamiento comparativo de los materiales ensayados ante este tipo de cargas;
• Determinar el porcentaje de estiramiento y porcentaje de estricción de las probetas sometidas a impacto por tracción;
• Comparar los valores obtenidos en este ensayo con los análogos obtenidos del ensayo para determinar la resistencia a la tracción;

2. TEORÍA DEL EXPERIMENTO

Para evaluar las propiedades de un material cuando es sometido a cargas de impacto se utilizan diversos equipos según el tipo y características del impacto que se desee aplicar. En este caso, se trabajará con un péndulo de impacto tipo Charpy^[2], el que puede aplicar la carga en un modelo de “flexión” o un uno de “tracción”.

El péndulo es liberado desde una altura inicial “h1” – lo que supone una energía potencial inicial – para impactar la probeta en el momento que éste ha alcanzado su máxima velocidad. La deformación y ruptura de la probeta significa una absorción de energía, la que es quitada al péndulo, por lo tanto, éste llegará a una altura final “h2”, que es inferior a h1. La diferencia entre las alturas inicial y final permite cuantificar la energía absorbida por la probeta y, con ese valor, determinar la resiliencia.

Figura 1. Esquema teórico del ensayo de impacto

[pic 3][pic 4]

El trabajo “W“ empleado en romper la probeta se calcula por:

        W  = W1 – W2  =  Mgh1 – Mgh2  = Mg ( h1 – h2 )

Donde:         “M” es la masa del péndulo (19,333 kilogramos)

“g” es la aceleración de gravedad (9,80665 m/s²)

“h1” es la altura inicial del péndulo (m)

“h2” es la altura final del péndulo (m)

Según la Figura 4.1 la expresión para calcular el trabajo “W” puede expresarse como:

        W  = Mg ( h1 – h2 )

                h1 =  R + R cos (180º - α1)  =  R (1 - cos α1 );

h2 =  R - R cos α2  =  R (1 - cos α2 )

Así,        W  = MgR (cos α2  - cos α1 )

Donde:         “R” : radio pendular (0,8 m)

“α1” : ángulo elevación del péndulo a la partida (160º)

“α2” : ángulo elevación del péndulo después del impacto (º)

En el primer caso, el de flexión, la probeta posee un entalle en su parte central para llevar al material a las condiciones más severas posibles. Este entalle genera una condición de concentración de tensiones, limitando la plasticidad de la probeta, llevándola a una sobre exigencia para resistir esta carga. La probeta se instala apoyada en sus extremos, recibiendo el impacto justo en la zona debilitada por el entalle, lo que causará su ruptura.

Según estas expresiones, la resiliencia o resistencia al choque por impacto a la flexión se determina por medio de la siguiente expresión:

[pic 5]

Donde:         “W” :  trabajo empleado en romper la probeta (Joules: J)

“A” : área sección transversal de la probeta, en el lugar del entalle (cm²)

Figura 2. Probetas con entalladura para impacto por flexión

[pic 6]

Figura 3. Esquema del ensayo de impacto por flexión

[pic 7]

(Hammer = martillo, Specimen = Probeta)

En el segundo caso, el de tracción, la probeta es cilíndrica con sus extremos roscados, y en su parte media tiene un diámetro menor. La instalación de dispositivos de sujeción especial permite aplicar el impacto por tracción. Los resultados, en este caso, no sólo deben considerar la sección transversal de la probeta, sino que además la longitud de la parte de menor diámetro dentro de la cual ocurrirá la ruptura.

...