Diseño y construcción de un péndulo Charpy digital para pruebas de resiliencia de materiales ferrosos para la UTE en el 2010

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(1)UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Campus Arturo Ruiz Mora Santo Domingo. FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Y AUTOMATIZACIÓN. Tesis previa a la obtención del título de: INGENIERA ELECTROMECÁNICA, MENCIÓN EN AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PÉNDULO CHARPY DIGITAL PARA PRUEBAS DE RESILIENCIA DE MATERIALES FERROSOS PARA LA UTE EN EL 2010. Estudiante: IRINA RAMÍREZ MATAMOROS. Director de Tesis ING. HOLGER JAMI Santo Domingo – Ecuador JUNIO, 2011.

(2) DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PÉNDULO CHARPY DIGITAL PARA PRUEBAS DE RESILIENCIA DE MATERIALES FERROSOS PARA LA UTE EN EL 2010. Ing. Holger Jami DIRECTOR DE TESIS. _____________________. APROBADO. Ing. Nilo Ortega PRESIDENTE DEL TRIBUNAL. _____________________. Ing. Carlos Centeno MIEMBRO DEL TRIBUNAL. _____________________. Ing. Holger Zapata MIEMBRO DEL TRIBUNAL. _____________________. Santo Domingo,_____ de____________ del 2011. ii.

(3) Del contenido del presente trabajo se responsabiliza el autor. Irina Ramírez Matamoros. iii.

(4) UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Campus Arturo Ruiz Mora Santo domingo. INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS. Ing. Holger Rafael Jami Lema, en calidad de Director de Tesis del tema DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PÉNDULO CHARPY DIGITAL PARA PRUEBAS DE RESILIENCIA DE MATERIALES FERROSOS PARA LA UTE EN EL 2010, realizado por la Srta. IRINA RAMÍREZ MATAMOROS, para optar por. el. título. de. INGENIERA. ELECTROMECÁNICA,. MENCIÓN. EN. AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL, doy fe que el presente trabajo de investigación ha sido dirigido y revisado en todas sus partes, por cuanto autorizo su respectiva presentación.. Santo Domingo, ____ de ____________ del 2011.. Atentamente,. Ing. Holger Jami Msc. DIRECTOR DE TESIS. iv.

(5) AGRADECIMIENTO. A los que con su conocimiento y experiencia aportaron desinteresadamente para que se cristalizara este proyecto. A Dios por sobre todas las cosas. I.R.M. v.

(6) DEDICATORIA. A todos los que piensen que su vida tiene grandes obstáculos y ven este sueño como algo imposible. I.R.M. vi.

(7) ÍNDICE. Pag. Hoja de sustentación y aprobación de los integrantes del tribunal. ii. Hoja de responsabilidad del autor. iii. Informe de aprobación del Director de Tesis. iv. Agradecimiento. v. Dedicatoria. vi. Índice. vii. Resumen. xvii. CAPITULO I INTRODUCCIÓN. 1.1. Antecedentes. 1. 1.1.1 Antecedentes históricos. 1. 1.1.2 Antecedentes científicos. 3. 1.1.3 Antecedentes prácticos. 4. 1.1.4 Importancia del estudio. 5. 1.1.5 Situación actual del tema de investigación. 5. 1.2. Limitaciones del estudio. 6. 1.3. Alcance del trabajo. 6. 1.4. Objeto de estudio. 7. 1.5. Objetivos. 7. 1.5.1 General. 7. 1.5.2 Específico. 7. vii.

(8) 1.6. Justificación. 8. 1.6.1 Justificación Teórica. 8. 1.6.2 Justificación Metodológica. 8. 1.6.3 Justificación Práctica. 9. 1.7. Hipótesis. 9. 1.8. Aspectos metodológicos del estudio. 9. CAPITILO II MARCO DE REFERENCIA. 2. Propiedades Mecánicas. 10. 2.1. Tenacidad y resiliencia. 10. 2.2. Propiedades de los materiales. 12. 2.3. Historia del Ensayo Charpy. 15. 2.4. Muesca. 18. 2.4.1. Construcción de las muescas. 19. 2.4.2. Comportamiento de la muesca. 20. 2.4.3. Efecto de la muesca. 22. 2.4.4. Efecto de la temperatura. 24. 2.4.5. Orientación de la probeta. 25. 2.5. Percutor. 27. 2.5.1. Abrasión del percutor. 31. 2.6. Principio de la prueba. 32. 2.6.1. Desarrollo de la prueba. 33. 2.6.2. Descripción general de la máquina. 34. 2.6.3. Partes principales de la máquina. 35. 2.7. Cálculos. 39 viii.

(9) 2.8. Expansión lateral. 41. 2.9. Corte de fractura. 42. 2.9.1. Determinación del porcentaje de corte de fractura. 42. 2.10. Reporte de pruebas. 45. 2.11. Encoders. 45. 2.11.1. Tipos de Encoder. 46. 2.11.1.1. Encoder incremental. 46. 2.11.1.2. Código gray. 47. 2.11.1.3. Método para convertir un número binario a gray. 49. 2.11.1.4. Método para convertir código gray a binario. 50. 2.11.2. Encoder absoluto. 50. 2.12. Softwares. 52. 2.12.1. TwidoSuite. 52. 2.12.1.1. Instrucciones de contaje muy rápido VFC. 53. 2.12.2. Intouch. 55. 2.12.2.1. Aplicaciones. 56. 2.12.2.2. Curva de tendencia histórica. 56. CAPITULO III DISEÑO DE LA MÁQUINA. 3.1. Brazo pendular. 58. 3.1.1. Posición a 90º del brazo pendular. 59. 3.1.2. Posición a 120º del brazo pendular. 62. 3.1.3. Posición a 0º del brazo pendular. 63. 3.1.4. Cálculo de la masa del brazo pendular. 64. 3.2. Cálculo de la potencia del motor para elevar el brazo. 64. ix.

(10) 3.3. Análisis estático. 66. 3.3.1. Eje de rotación. 66. 3.3.2. Análisis del eje de rotación. 68. 3.4. Parámetros de la prueba. 71. 3.4.1. Cálculo de parámetros del momento del impacto. 71. 3.5. Análisis del pórtico. 74. 3.5.1. Análisis del elemento 1. 75. 3.5.2. Análisis del elemento 2. 78. 3.5.3. Análisis del elemento 3. 81. 3.6. Cálculo de relaciones de energía. 83. 3.7. Determinación del centro de percusión. 86. 3.8. Cálculo del perfil de las columnas. 87. 3.9. Diseño de chaveta y chavetero. 89. 3.10. Cálculo del disco (mecanismo de elevación). 92. 3.11. Análisis del percutor. 94. 3.12. Análisis del yunque. 96. 3.12.1. Solicitación a corte del soporte de probeta. 96. 3.12.2. Análisis de soldadura. 98. 3.13. Diseño de pernos. 105. 3.13.1. Solicitación por tracción. 105. 3.13.2. Determinación del factor de seguridad de pernos a tracción. 110. 3.14. Análisis de los metales. 116. 3.14.1. Probeta y materiales de prueba. 116. 3.14.2. Análisis de la prueba. 119. 3.15. Automatización. 124. 3.15.1. Instalación del encoder. 125. 3.15.2. Diferencia entre utilización de encoder y celda de carga. 126. 3.16. Diseño del SCADA. 129. x.

(11) 3.16.1. Programación Twido. 130. 3.16.2. Programación Intouch. 131. 3.16.3. Amplificación. 135. CAPITULO IV CONSTRUCCIÓN. CAPITULO V ANÁLISIS DE COSTOS 5.1. Costo materia prima directa. 155. 5.2. Costo de productos terminados implementados. 157. 5.3. Costo mano de obra. 158. 5.3.1. Mano de obra en taller de maquinado y ensamblaje. 158. CAPITULO VI MANUAL DEL USUARIO. CAPITULO VII 7.1. CONCLUSIONES. 175. 7.2. RECOMENDACIONES. 177. xi.

(12) 7.3. BIBLIOGRAFÍA. 178. ANEXOS PLANOS. FIGURAS 1. Fig.2.1.Módulo de resiliencia Ur. 11. 2. Fig.2.2.Curva Esfuerzo vs. Deformación característica del acero. 12. 3. Fig.2.3.Tipos de probetas normalizadas. 18. 4. Fig.2.4.Distribución de esfuerzos de entallas. 19. 5. Fig.2.5.Representación esquemática de la carga histórica en una Prueba de impacto. 21. 6. Fig.2.6.Resistencia al impacto vs. Temperatura. 25. 7. Fig.2.7.Planos de fractura a lo largo de los ejes principales. 26. 8. Fig.2.8.Percutor Charpy normalizado. 27. 9. Fig.2.9.Cambios en las dimensiones del percutor al realizar las pruebas. 31. 10. Fig.2.10.Secciones del percutor. 32. 11. Fig.2.11.Pinza centradora. 33. 12. Fig.2.12.Máquina de impacto. 35. 13. Fig.2.13.Yunque. 37. 14. Fig.2.14.Soportes probeta. 37. 15. Fig.2.15.Martillo tipo U. 38. 16. Fig.2.16.Percutor. 39. 17. Fig.2.17.Mitades de una probeta CVN rota. Ilustración de medición de expansión lateral, dimensiones A1, A2,A3,A4 y el ancho original, dimensión W. 41. 18. Fig.2.18.Corte de Fractura. 42. 19. Fig.2.19.Funcionamiento de un encoder. 46. 20. Fig.2.20.Conversión de binario a Gray. 49. xii.

(13) 21. Fig.2.21.Estructura interna de un encoder absoluto. 51. 22. Fig.2.22.Despiece de un encoder. 52. 23. Fig.2.23 Bloque contador súper rápido. 54. 24. Fig.2.24.PLC TWIDO TWDLCAA16DRF. 55. 25. Fig.2.25.Curva histórica. 57. 26. Fig.3.1. D.C.L, Esfuerzo Cortante, Momento Flector en el brazo pendular en el plano XY. 27. 59. Fig.3.2. D.C.L, Esfuerzo Cortante, Momento Flector en el brazo Pendular considerando su propio peso. 28. 61. Fig.3.3. Brazo pendular a 120º desde la posición horizontal, plano XY. 62. 29. Fig.3.4. Brazo pendular en posición de inicio. 63. 30. Fig.3.5. D.C.L, fuerzas y momento flector con el brazo pendular a 90º. 67. 31. Fig.3.6. D.C.L, esfuerzos y momentos del eje de rotación. 70. 32. Fig.3.7. Posición de lanzamiento del péndulo. 71. 33. Fig.3.8. Diagrama de elementos del pórtico. 74. 34. Fig.3.9. Diagrama de cuerpo libre del elemento 1. 75. 35. Fig.3.10. Diagrama de momentos elemento 1. 76. 36. Fig.3.11. Diagrama de momentos totales. 77. 37. Fig.3.12. Diagrama de cuerpo libre del elemento 2. 78. 38. Fig.3.13. Diagrama de momentos del elemento 2. 79. 39. Fig.3.14. Diagrama de momentos totales del elemento 2. 80. 40. Fig.3.15. Elemento 3 sometido a compresión. 81. 41. Fig.3.16. Diagrama de momentos totales del pórtico. 82. 42. Fig.3.17 Dimensiones para cálculos. 84. 43. Fig.3.18. Geometría del perfil. 87. 44. Fig.3.19. Fuerza de corte en chaveta. 90. 45. Fig.3.20. Eje de rotación con chavetero. 91. 46. Fig.3.21. Disco conductor de elevación. 93. 47. Fig.3.22. Simulación percutor. 95. 48. Fig.3.23. Fuerza de impacto ejercida en el yunque. 96. xiii.

(14) 49. Fig.3.24. D.C.L fuerza de impacto en la probeta. 96. 50. Fig.3.25. Área de aplicación de fuerza de corte. 97. 51. Fig.3.26 Base soldada del yunque. 99. 52. Fig.3.27 Área de base de yunque soldada a los cuatro lados. 100. 53. Fig.3.28. Disposiciones constructivas. 106. 54. Fig.3.29. Unión de pernos resistentes a flexión y cortante Combinados. 106. 55. Fig.3.30. Diagrama de esfuerzos en la base empernada. 107. 56. Fig.3.31. Disposición actual de pernos. 107. 57. Fig.3.32. Distribución de esfuerzos. 109. 58. Fig.3.33. Corte de sección del perno. 111. 59. Fig.3.34. Forma y dimensiones de la probeta V. 116. 60. Fig.3.35. Curva Energía de impacto Vs. Temperatura acero ASTM A36. 61. 120. Fig.3.36. Porcentaje de fractura de corte Vs. Temperatura acero ASTM A36. 120. 62. Fig.3.37. Cargas axial y radial de un encoder. 125. 63. Fig.3.38. Comunicación entre elementos vía MODBUS. 135. 64. Fig.3.39. Diagrama de amplificación. 136. TABLAS 1. Tabla 2.1.. Dimensiones de la región de corte. 43. 2. Tabla 2.2.. Comparación entre código Binario y Gray. 48. 3. Tabla 3.1.. Datos de la máquina. 85. 4. Tabla 3.2.. Propiedades mecánicas acero K100. 94. 5. Tabla 3.3.. Composición química del acero AISI 4140. 117. 6. Tabla 3.4.. Composición química del acero ASTM A36. 118. 7. Tabla 3.5.. Composición química del acero AISI 304. 119. 8. Tabla 3.6.. Ensayo en probetas de acero ASTM A36. 121. 9. Tabla 3.7.. Reporte de pruebas de aceptación comercial. 122. xiv.

(15) 10. Tabla 3.8.. Reporte de pruebas detallado. 122. 11. Tabla 3.9.. Expansión lateral. 123. 12. Tabla 3.10. Comparación entre Módulo de resiliencia y Resiliencia 124. 13. Tabla 3.11. Resumen de los efectos de la energía Charpy. 128. 14. Tabla 3.12. Tabla de direcciones. 130. 15. Tabla 3.13. Dirección de variables para el SCADA. 131. IMÁGENES 1. Imag.2.1.Primera máquina de impacto inventada por Russel. 17. 2. Imag.2.2.Superficie de fractura de un material frágil. 22. 3. Imag.2.3.Superficie de fractura de un material dúctil. 23. 4. Imag.2.4. Observación de las etapas de flexión bajo prueba de flexión estática. 29. 5. Imag.2.5.Apariencia de la región de corte. 6. Imag.3.1.Probeta fracturada completamente acero ASTM A36. 7. Imag.3.2.Probeta de acero ASTM A36 para determinación de. 44 121. expansión lateral. 123. 8. Imag.3.3. Pantalla principal del programa. 134. 9. Imag.4.1 Base del equipo. 138. 10. Imag.4.2 Columna con refuerzo. 139. 11. Imag.4.3 Base de columna. 139. 12. Imag.4.4 Base de columna. 140. 13. Imag.4.5 Ensamble y nivelación de columnas. 140. 14. Imag.4.6 Martillo básico. 141. 15. Imag.4.7 Base para yunque. 142. 16. Imag.4.8 Maquinado y perforado del yunque. 142. 17. Imag.4.9 Soporte de Probeta. 143. 18. Imag.4.10 Yunque ensamblado con soportes. 143. 19. Imag.4.11 Estructura burbuja medidora. 144. 20. Imag.4.12 Disco y manzana. 145. 21. Imag.4.13 Percutor mecanizado. 146. xv.

(16) 22. Imag.4.14 Martillo completo. 146. 23. Imag.4.15 Ensamble de prueba 1. 147. 24. Imag.4.16 Ubicación de centros. 147. 25. Imag.4.17 Base del motor con discos de elevación. 148. 26. Imag.4.18 Muelas de pinza centradora. 148. 27. Imag.4.19 Pinza centradora completa. 149. 28. Imag.4.20 Mecanismo de liberación ensamblado. 150. 29. Imag.4.21 Montaje del disco de freno. 151. 30. Imag.4.22 Prueba de circuitos amplificadores. 151. 31. Imag.4.23 Colocación de sensores de posicionamiento. 152. 32. Imag.4.24 Colocación y alineación del encoder. 153. 33. Imag.4.25 Pruebas preliminares de calibración. 153. 34. Imag.4.26 Ensamble total del equipo. 154. xvi.

(17) RESUMEN. Este proyecto se basa en la necesidad de impulsar el desarrollo del conocimiento acerca de las propiedades mecánicas de los materiales ferrosos, que en este caso se profundizará sobre la resiliencia y el equipo necesario para determinarla, como es el Péndulo Charpy.. El Capítulo I trata de la recopilación de información a lo largo del tiempo que dieron origen a la importancia del estudio de la máquina de prueba de impacto así como el valor de la resiliencia en la determinación de la selección de materiales para una determinada aplicación.. En el Capítulo II se relata los antecedentes generales que rodean el inicio de las pruebas de resiliencia en materiales ferrosos, la tecnología que en aquel entonces se utilizaba para determinarla y la subsecuente evolución de esta prueba, se puntualiza sobre los términos más utilizados para la cabal comprensión de dicho tema. Además se trata brevemente de dar conocimiento sobre la tecnología que se utilizará para automatizar el equipo de pruebas y sus beneficios.. Continuando en el Capítulo III se detalla el proceso de diseño tanto estático como dinámico de las piezas más cruciales de la máquina, como son las columnas y ejes (del brazo pendular y del eje de rotación), ya que al estar sometidos a momentos, vibraciones, y dado que se trata de una máquina para pruebas de laboratorio, se deben determinar los factores de seguridad de los elementos ya que se encontrará interactuando con personas.. xvii.

(18) Este diseño se complementa con la automatización de un sistema que comúnmente en nuestro medio es netamente manual: se detalla los equipos seleccionados, programación e implementación que ayudarán a la elevación del brazo pendular, sin la necesidad de desgaste físico de la persona, también a la adquisición de datos en tiempo real de manera automática para la simplificación de los cálculos y la obtención rápida de datos que serán útiles para el diagnóstico del material sometido a evaluación.. El capítulo IV da una breve explicación de los pasos y procedimientos para el mecanizado, soldadura, ensamblaje y montaje de los elementos del equipo.. En el Capítulo V se detalla el costo de cada uno de los elementos que conforman la máquina de impacto, tanto de la materia prima directa, como de los elementos implementados, pudiéndose determinar el costo de fabricación y montaje del mismo.. Dado que este es un equipo delicado y de alto riesgo para las personas al momento de utilizarlo, en el Capítulo VI se ha dotado de un manual de Usuario para el correcto manejo del equipo, además del manual de mantenimiento para conservar al equipo en buen estado. Puesto que esta máquina será utilizada como medio didáctico, se ha provisto en el manual, el procedimiento de desarrollo para las prácticas a ser realizadas por los estudiantes.. Finalmente se tiene el resumen de las conclusiones que se han obtenido de haber realizado el presente proyecto y de las recomendaciones que se han podido determinar a lo largo del tiempo que ha durado dicho proyecto se detallan en el Capítulo VII.. xviii.

(19) Se podrá encontrar en los anexos, la información necesaria para la sustentación de cálculos para el diseño, tablas, planos e imágenes que lo complementan.. xix.

(20) SUMMARY. This project is based on the need to promote the development of knowledge about the mechanical properties of ferrous materials, which in this case deepens about the resilience and equipment needed to determine it, as is the Charpy Pendulum.. Chapter I collects the proper information through the time that began with the importance of studying the impact test machine and the importance of resilience in determining the selection of materials for a particular application.. Chapter II describes the general background surrounding the onset of impact tests on ferrous materials, the technology used for determining the resilience and the subsequent evolution of this test. This chapter specified the terms used for the full understanding of the topic. A briefly discuss of the technology used to automate the testing equipment and its benefits is provided.. Continuing in Chapter III details the design process both static and dynamic of the most crucial parts of the machine, such as columns and shafts (the pendulum arm and the rotation shaft), as being subjected to moments, vibrations, and since it is a machine for laboratory testing must determine the safety factors and elements that will be interacting with people.. This design is complemented by an automation system which is mostly manual in our environment. Selected equipment as well as programming for helping pendulum arm lifting with no personal risk is detailed. Automated real time data. xx.

(21) acquisition, simplified calculus and rapid retrieval data to be useful for diagnosis of the material under evaluation is attached.. Chapter IV gives a brief explanation of the steps and procedures for machining, welding, assembly and installation for items and equipment.. Chapter V details the cost of each element of the impact machine, both the raw material directly, as the elements in place necessary for manufacture and assembly thereof.. Since this is a delicate and high-risk equipment for people when using it, Chapter VI provides a user manual for its correct handling, plus maintenance manual to keep it in good condition. This machine will be used as a teaching material therefore contains a procedure manual and development practices to be performed by students.. Finally there is a summary of the conclusions and recommendations obtained along the project performance.. Annexes and calculus are provided.. xxi.

(22) 1. CAPITULO I. INTRODUCCIÓN. 1.1. Antecedentes. 1.1.1 Antecedentes históricos. No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico.. Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal.. Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el.

(23) 2. mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban.. Llegando hasta una época más actual, se encuentran diferentes catástrofes ocurridas mundialmente y producidas por la fragilidad de los materiales. Algunos acontecimientos reportados fueron, el de una barra de acero Bessemer que se quebró bajo una pequeña carga de impacto en el invierno de 1879. Son famosas las fracturas de puentes soldados en Europa entre 1936 a 1938.. Durante la Segunda Guerra mundial, se pudieron observar cerca de mil soldaduras de barcos de transporte, fuera de combate, y diecinueve de ellas repentinamente partiéndose en mitades. Los cascos fueron construidos de acero que poseía una adecuada ductilidad en ensayos de tracción a temperatura ambiente.. Las fracturas frágiles se produjeron a temperaturas relativamente bajas con respecto a la temperatura ambiente, a aproximadamente 4ºC, en la vecindad de la temperatura de transición del acero. Cada fisura de la fractura se originó en algún punto de concentración de tensiones, probablemente en alguna forma angular o de esquina, propagándose luego alrededor del casco del barco.. Otro caso ocurrido previamente fue el hundimiento del Titanic en el año 1912. El acero utilizado en su construcción era el mejor de su época, sin embargo hoy en día no pasaría las pruebas más elementales de calidad, producto del alto contenido de impurezas que contenía. Ese alto contenido de impurezas.

(24) 3. provoca que la resistencia del acero a la fractura sea baja, y especialmente en condiciones de baja temperatura su ductilidad se ve reducida.. Todos estos acontecimientos reafirman que no basta con conocer las características. de. los. materiales,. sino. que. hace. falta. analizar. el. comportamiento de los mismos a diferentes temperaturas y sometidos a cargas de impacto.. 1.1.2 Antecedentes científicos. Desde hace siglos el acero ha sido el elemento primario líder en todas las construcciones de. importancia, este. tipo. de material tiene. diferente. composición y de esta depende las propiedades mecánicas tales como densidad, módulo de elasticidad, límite de fluencia y límite de rotura, etc.. Fabricar cada lámina de acero es todo un proceso, implica transformaciones secundarias que generan un alto índice de perdidas energéticas, casi todas las propiedades del acero se pueden cambiar mediante tratamientos térmicos controlados, cada propiedad se puede evaluar por diferentes máquinas y métodos.. Cada tipo de acero tiene sus aplicaciones específicas, así el momento de seleccionar un acero se debe tener claro sus propiedades mecánicas..

(25) 4. Una de las principales propiedades de los materiales ferrosos es la resiliencia que es la propiedad que tienen los materiales de absorber la energía de deformación en la zona elástica sin llegar a la falla.. Esta propiedad es tan importante a la hora de seleccionar materiales que permitan absorber energías principalmente de choque como por ejemplo engranajes, martillos.. 1.1.3 Antecedentes prácticos.. Lo que no se puede medir no se puede controlar, para evaluar la resiliencia de los materiales ferrosos en la antigüedad se usaban pruebas rusticas de caída de cuerpos de masa conocida sobre una probeta.. Esta prueba destructiva dio el inicio a la creación de unas máquinas que permitieron el choque controlado de las probetas.. La norma ASTM E23, detalla todas las características para realizar este ensayo con probetas normalizadas y muescas concentradoras de tensiones.. La máquina Charpy de ensayo de resiliencia ha evolucionado desde el siglo XVIII, hoy en día la prueba Charpy se controla mediante sistemas SCADA y sensores de recorrido angular que indican en tiempo real la energía absorbida por la probeta de medidas normalizadas..

(26) 5. 1.1.4 Importancia del estudio. La evaluación de las propiedades mecánicas de los materiales es muy importante para seleccionar el material más idóneo, de hecho la resiliencia es una propiedad que define hasta qué grado un material es frágil o dúctil.. Los ensayos dinámicos de choque verifican el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas según que la probeta rompa por flexionamiento (flexión por choque) o que su rotura se alcance por deformación longitudinal (tracción por choque). Los valores obtenidos en estos ensayos son únicamente comparables, en materiales con propiedades similares ya sean siempre dúctiles o frágiles, cuando se realizan sobre el mismo tipo de probeta y en idénticas condiciones de ensayo.. La máquina de ensayo determinará el trabajo absorbido por el material cuando éste es roto de un solo golpe por la masa pendular y su valor en kgf.m o Joule, o relacionándolo con la sección o volumen de la probeta, según el método nos indicará la resistencia al choque o capacidad del material para absorber cargas dinámicas de impacto (resiliencia).. 1.1.5 Situación actual del tema de investigación. Los métodos de ensayos destructivos son usados para encontrar las propiedades que definen la resistencia de un material, ya que por medio de un.

(27) 6. muestreo y el sacrificio de la muestra se utilizan para valorar el nivel de calidad del proceso que se ha desarrollado en él. El ensayo de resiliencia que se plantea en esta tesis desea demostrar la capacidad de los metales a absorber golpes dinámicos.. La máquina de resiliencia o del ensayo Charpy se basa en la norma ASTM E23, la cual da las pautas para los detalles de diseño.. 1.2. Limitaciones del estudio. Existen muy pocos establecimientos en el Ecuador que cuentan con este tipo de máquina, e incluso, aun en el Ecuador no existe una Máquina Digital y automática para este ensayo, teniéndose, por ende, dificultad en la obtención de datos.. También, la máquina estará limitada a la energía que se le pueda otorgar a la misma. Esta energía estará determinada por la masa del péndulo, longitud del brazo pendular, y posición inicial. Siendo estos en su mayoría afectados por el espacio disponible que se tenga para la máquina y los materiales que intervienen en la construcción.. 1.3. Alcance del trabajo . Diseñar una Máquina para Ensayo Charpy bajo normas internacionales.. . Construir la Máquina de Ensayo Charpy de manera que se aplique un sistema de adquisición de datos automático..

(28) 7. 1.4. Objeto de estudio. Máquina de Ensayo Charpy. 1.5. Objetivos. 1.5.1 General. Diseñar y construir un Péndulo Charpy digital para pruebas. de. resiliencia en materiales ferrosos para la UTE.. 1.5.2 Específico. . Realizar el diseño y la construcción del equipo de acuerdo a las normas ASTM y BS EN.. . Utilizar un método digital a través de un SCADA para la graficación y almacenamiento de curvas en tiempo real.. . Redactar un manual de funcionamiento y operación para el manejo del equipo.. . Evaluar al impacto los aceros ASTM A36, AISI 4140 y AISI 304..

(29) 8. 1.6 Justificación. 1.6.1 Justificación Teórica.. Los conocimientos científicos adquiridos paulatinamente en el transcurso del tiempo estudiantil, especialmente centrados en el área mecánica con respecto a la resistencia de materiales, son bastos. Al tener este equipo de pruebas en la Universidad, se logrará completar el conocimiento de esta área, ya que se fusionará la teoría con la práctica, que es la forma ideal de llegar a un conocimiento cabal de una ciencia.. No solamente servirá de mucho este equipo para los estudiantes cuando ya se encuentre completamente desarrollado, sino que el proceso de diseñarlo y construirlo servirá para aplicar el conocimiento adquirido en varias materias.. 1.6.2 Justificación Metodológica.. El propósito de todo equipo para pruebas es lograr corroborar o negar lo que la teoría plantea. Con el diseño y la construcción de este Péndulo Charpy, se aportará al conocimiento de lo materiales ferrosos, logrando una variación en el contexto actual, que se encuentran enmarcadas estas materias en la Universidad, sirviendo como retroalimentación tanto a docentes como a estudiantes..

(30) 9. 1.6.3 Justificación Práctica.. Por medio del diseño y la construcción de este Péndulo Charpy para pruebas de resiliencia en materiales ferrosos, se da comienzo a un laboratorio de resistencia de materiales para la Universidad, además, un medio didáctico en el cual se interactúe con la realidad de lo que solamente hasta ahora se conoce como teoría, logrando despertar el interés de los estudiantes, ya que ellos serán los que lleven a cabo, juntamente con el docente, el desarrollo de la práctica.. 1.7 Hipótesis. El diseño y la construcción de un Péndulo Charpy para pruebas de resiliencia de materiales ferrosos demostrarán y comprobarán eficientemente la capacidad de los mismos para absorber cargas dinámicas de choque.. 1.8 Aspectos metodológicos del estudio. Se llevará la investigación dentro del marco descriptivo – experimental, ya que con toda la información que se adquiera de las Normas, y los cálculos que se realicen, al construir la máquina, se deberá someter a pruebas para determinarla calibración de la misma, y lograr la comprobación de los valores de resiliencia de los metales..

(31) 10. CAPITULO II. MARCO DE REFERENCIA. 2.. Propiedades Mecánicas. 2.1. Tenacidad y resiliencia. Los términos Tenacidad y Resiliencia son ampliamente confundidos, por tal motivo, se dará las diferentes definiciones de estos dos términos para poder comprobar su diferencia y establecer los límites entre estos.. “La tenacidad es una media del área total entre las zonas elástica y plástica en una prueba de Esfuerzo/Deformación. Si un material es capaz de someterse a una gran cantidad de deformación y de absorber gran cantidad de energía, este tiene una alta tenacidad. La resiliencia de un material se mide por el módulo de resiliencia y se relaciona a el área bajo la zona elástica de la gráfica Esfuerzo/Tensión.”1. 1. Hannon, Patrick. Knapp, Kerry. Forensic Biomechanics. Pag.22.

(32) 11. Fig. 2.1. Fuente: Hannon, Patrick. Knapp Kerry. Forensic Biomechanics. Pag.22 Elaborado por: Irina Ramírez M - 2011. “Los datos que se pueden obtener de la curva Esfuerzo/Deformación son la Tenacidad y la Resiliencia. Estos son obtenidos por medio de calcular el área bajo toda la curva (Tenacidad) o bajo la porción lineal de la curva (Resiliencia). La tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber sin romperse. La resiliencia es una medida de la cantidad de energía elástica que un material puede absorber y posteriormente entregarla a otro objeto.”2. Comúnmente se confunden estos términos, ya que la tenacidad al ser obtenida como el área bajo la curva completa del acero, se llega hasta el punto de fractura, pero la resiliencia solo utiliza la parte lineal (elástica) de la curva, ya que por el impacto instantáneo, no permite una deformación plástica, sino que inmediatamente después de pasar por la zona elástica se produce la rotura.. 2. Ferracane, Jack. Material in industry: principles and applications. Pag 33..

(33) 12. Y como se puede observar en la figura 2.1, para calcular el módulo de resiliencia, solamente se utiliza el esfuerzo a la fluencia y el módulo de elasticidad de cada material. Fig. 2.2. Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Stress_Strain_Ductile_Material.png Elaborado por: Irina Ramírez M. - 2011. 2.2. Propiedades de los materiales. “Plasticidad: Es la cualidad de un material que le permite ser moldeado o el adquirir deformaciones permanentes bajo cargas sin que al cesar estas se recupere la forma original. Los materiales plásticos sometidos a una carga se deforman en vez de romperse.. La fragilidad: Se define como la capacidad de un material de romperse sin sufrir deformación plástica o con poca. La fragilidad implica falta de plasticidad..

(34) 13. Ductilidad: es la propiedad de un material que le permite adquirir una gran deformación permanente y al mismo tiempo resistir cargas relativamente grandes. Si bien la ductilidad es una propiedad muy deseable que se precisa para casi todas las especificaciones de los metales, la magnitud cuantitativa necesaria para aplicaciones estructurales no está clara por completo, pero probablemente no excede a un alargamiento de alrededor de un 3% tras haberse fabricado la estructura.. Resiliencia: Es la cantidad de energía de deformación (o trabajo) que puede ser recuperada de un cuerpo sometido a una carga, cuando la misma es eliminada. Dentro de los límites de elasticidad, el trabajo realizado para deformar el cuerpo recuperado totalmente tras eliminar las cargas; la cantidad total de trabajo realizado para deformar una unidad de volumen de material hasta el límite de elasticidad se denomina módulo de resiliencia.. Tenacidad: es la capacidad de resistir grandes cargas adquiriendo grandes deformaciones antes de la rotura. Ordinariamente la tenacidad se mide a partir del trabajo realizado al someter a carga una unidad de volumen del material hasta su rotura completa y puede ser interpretado como la superficie total encerrada por la curva carga – deformación. La ductilidad se diferencia de la tenacidad en que solo significa la capacidad del material para deformarse, mientras que la tenacidad se mide mediante la capacidad para absorber energía del material.. Resistencia al impacto: La capacidad de un material para resistir impactos o cargas de energía sin deformación permanente se mide mediante el módulo de.

(35) 14. resiliencia. La resistencia máxima al impacto antes de la rotura se mide a partir de la tenacidad del material. Para piezas que presentan cambios bruscos de sección (agujeros, chaveteros, rebajos, etc.), la resistencia a una carga aplicada rápidamente depende en gran manera de la <sensibilidad de la entalla> (resistencia a la formación y propagación de una grieta); por encima de ciertas velocidades críticas de carga y por debajo de ciertas temperaturas críticas, la resistencia al impacto se reduce mucho.. La sensibilidad a la entalla relativa bajo cargas repetidas no es la misma que en un ensayo de un solo impacto sobre la muestra ranurada. Los valores del impacto son afectados por la velocidad de deformación, la forma y tamaño de la muestra y por el tipo de ensayo. A veces los ensayos de impacto se aplican a carriles de acero a fin de detectar fragilidad.. Los ensayos de resiliencia Charpy e Izod miden la energía que se precisa para romper pequeñas muestras entalladas bajo un impacto único. Estos ensayos se utilizan a veces para detectar fragilidad inducida por un tratamiento térmico inadecuado, excesivo trabajo en frio o las condiciones de servicio a baja temperatura. Los valores de ensayo están fuertemente influenciados por la velocidad de deformación, temperatura y forma de la entalla.”3. 3. Fink, Donald, Manual práctico de electricidad para ingenieros, Pag. 223..

(36) 15. 2.3. Historia del Ensayo Charpy. “La primera publicación conocida sobre los efectos de cargas de impacto en materiales, fue reportada en 1800 por Tregold y fue una discusión teórica sobre la habilidad del hierro fundido para resistir fuerzas impulsivas. En 1849, los británicos formaron una comisión para estudiar el uso del hierro en la industria del ferrocarril. Esta comisión comenzó su trabajo considerando enfoques prácticos para la prueba de impacto. En 1857, el Capitán Rodman ideó una máquina de caída de peso para la caracterización de armas de acero y sobre los siguientes 30 años, esta máquina fue ampliamente utilizada en la prueba de aceros de ferrocarriles y para la calificación de productos de acero.. La prueba de la “caída de peso” utiliza una probeta rectangular que descansa en dos soportes, un martillo es dejado caer verticalmente para golpear la probeta en el centro.. El desarrollo de la prueba de la “caída de peso” a mediados de 1800 parece ser una lógica extensión del amplio uso de martinetes utilizados en construcción.. Desde el tiempo del desarrollo de la máquina de “caída de peso” hasta finales de 1800, todas las pruebas de caída de peso fueron conducidas utilizando barras rectangulares lisas. Mientras que el ensayo trabajaba bien para materiales frágiles, donde es fácil iniciar la grieta, materiales dúctiles solo se doblarían y no era posible inducir la fractura..

(37) 16. LeChatalier introdujo la utilización de probetas con muesca mientras se realizan los ensayos de caída de peso en 1892. Se descubrió que algunos aceros que presentaban comportamiento dúctil en una barra rectangular lisa, exhibía un comportamiento frágil cuando la probeta era con muesca.. La primera máquina de impacto de péndulo fue diseñada por S.B. Russel y colaboradores en Mayo de 1896. Los resultados actuales del ensayo utilizando la máquina de péndulo fueron reportados en 1897 en una conferencia de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (American Society of Civil Engineers ASCE) en 1898. Russel probó ambos, la probeta lisa y la probeta con muesca y encontró que la probeta con muesca era preferida para ensayar materiales dúctiles porque la probeta podía ser completamente fracturada cuando tenía muesca.. La máquina de impacto de péndulo fue concebida por Russel para habilitar la medición de energía absorbida por la probeta durante la fractura, y esta máquina fue un prototipo de la máquina de péndulo utilizada a través del mundo de hoy como se especifica en la ASTM Standard E 23, Standar Test Methods For Notched Bar Impact Testing Of Metallic Materials.”4. “En 1901, un investigador francés llamado Charpy publicó su trabajo. (la. segunda publicación en el mundo sobre una máquina de impacto de péndulo) sobre ensayos a barras con muesca. En las pruebas de Charpy utilizó una máquina de impacto de péndulo basado en el diseño desarrollado por Russell.. Es interesante notar que debido al temprano envolvimiento de Charpy con las barras con muesca del ensayo de impacto de péndulo, esta prueba es referida 4. http://www.mpmtechnologies.com/PDF/Charpy Testing/Advances In Notched Bar Impact Testing A 100 Year Old Test Gets a Face Lift.pdf.

(38) 17. alrededor del mundo hasta hoy como La Prueba Charpy. Sin embargo, este test fue primeramente concebido y desarrollado por Russell. De hecho, la publicación de Charpy en 1901 revisa las técnicas de la prueba de impacto que han sido desarrolladas para la calificación de materiales y referencias de artículos presentados por Russell a la ASCE in 1897. Charpy adoptó la prueba de Russell porque esta tiene una ventaja significativa sobre la prueba de “caída de peso”: la energía absorbida. por la probeta puede ser medida. 5. directamente.”. Imag.2.1. Fuente: Siewert, T. Pendulum impact machines: procedures and specimens for verification. Pag 22. Elaborado por: Irina Ramírez M. - 2011. 5. http://www.mpmtechnologies.com/PDF/Charpy Testing/Advances In Notched Bar Impact Testing A 100 Year Old Test Gets a Face Lift.pdf.

(39) 18. 2.4. MUESCA. El tipo de probeta elegido depende en gran medida de las características del material que se prueba. Una probeta puede no ser igualmente satisfactoria para materiales no ferrosos suaves y aceros templados, por lo tanto, muchos tipos de muestras se han reconocido.. En general, muescas más agudas y profundas se requieren para distinguir las diferencias en materiales muy dúctiles o cuando se emplean velocidades bajas de pruebas.. Las probetas mostradas en la figura 2.3 son las más ampliamente usadas y las más satisfactorias generalmente. Son particularmente convenientes para los metales ferrosos, con excepción de hierro fundido.. Fig.2.3. Fuente: ASTM E-23, Pag.2 Elaborado por: Irina Ramírez M. - 2011.

(40) 19. Los resultados de la prueba de impacto de estos materiales se ven afectados por la orientación de la probeta. Sin embargo, a menos que se especifique, la posición de la probeta en la máquina debe ser de tal manera que el péndulo golpee una superficie que sea paralela a la dirección de compactación (especificado en la norma ASTM E23).. 2.4.1 Construcción de las muescas:. Las muescas deben ser maquinadas de manera lisa pero el pulido se ha demostrado en general innecesario. Sin embargo, como las variaciones en las dimensiones de la muesca afectará gravemente a los resultados de las pruebas, adhiriéndose a las tolerancias indicadas en la figura 2.3, es necesario el pulido.. Fig. 2.4. Fuente: http://rmf.fciencias.unam.mx/pdf/rmf-e/52/1/52_1_051.pdf, Pag. 3. Elaborado por: Irina Ramírez M. - 2011.

(41) 20. En la figura 2.4 apreciamos que la distribución de esfuerzos en el entorno de una entalla aumenta a medida que nos acercamos al extremo de la misma, y por otra parte, la mayor concentración de esfuerzos está localizada en el extremo de las entallas más aguzadas (las que tienen un radio menor).. 2.4.2 Comportamiento de la muesca:. El comportamiento de la muesca de la cara cúbica centrada (fcc) de metales y aleaciones, un gran grupo de materiales no ferrosos y aceros austeníticos pueden ser juzgados por sus propiedades comunes de resistencia. Si ellos son frágiles en la tracción, entonces ellos serán frágiles cuando se los entalla. Mientras que si ellos son dúctiles en la tracción, serán dúctiles también cuando se los entalla, excepto para formas y entallas inusuales.. Incluso las bajas temperaturas no alteran estas características de los materiales. En contraste, el comportamiento de los aceros ferríticos bajo condiciones de entalla no se puede predecir a partir de sus propiedades como se revela en la prueba de tracción. Para el estudio de estos materiales, el Ensayo Charpy es muy útil. Algunos metales que muestran ductilidad normal en el ensayo de tracción se pueden romper de manera frágil en las pruebas o cuando se utilicen en la condición de muesca.. Las condiciones de muesca incluyen restricciones a la deformación en sentido perpendicular. al. mayor. esfuerzo,. o. tensiones. axiales. múltiples. y. concentraciones de esfuerzos. Es en este ámbito que el ensayo Charpy prueba.

(42) 21. ser útil para determinar la susceptibilidad de un acero al comportamiento frágil, a pesar de que ello no puede ser utilizado directamente para evaluar la capacidad de funcionamiento de una estructura.. Fig. 2.5. Fuente: Greszczuck, L.B, Foreign object impact damage to composites. Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. Para especímenes que tienen similar geometría, el porcentaje relativo de energía absorbida en la iniciación y propagación de la fractura provee una indicación de la “ductilidad” de un material. Se define Índice de Ductilidad (DI) como el radio de propagación de la energía de iniciación:. Los materiales frágiles tienen menor energía de propagación, y como resultado, menor índice de ductilidad. Junto con la energía de impacto, E, y el máximo esfuerzo, el DI es un parámetro conveniente para la clasificación de materiales ensayados en la prueba Charpy con especímenes de geometría similar..

(43) 22. 2.4.3 Efecto de la muesca. La muesca resulta en una combinación de esfuerzos multi axiales asociados con las restricciones a la deformación en direcciones perpendiculares al mayor esfuerzo, y a concentraciones de esfuerzos en la base de la muesca. Una condición grave de entallado es generalmente indeseable y esto se convierte en una preocupación real en los casos en que se inicia una falla repentina y completa del tipo frágil.. Algunos metales pueden ser deformados en una manera dúctil incluso a temperaturas muy bajas, mientras que otros pueden agrietarse. Esta diferencia en el comportamiento puede ser mejor entendida considerando la fuerza de cohesión de un material (o la propiedad que lo mantiene unido) y su relación con el punto de rendimiento. En casos de fractura frágil, la fuerza de cohesión es excedida antes de que ocurra la deformación plástica significativa y la fractura aparece cristalina.. Imag.2.2. Fuente:http//www.hsctut.materials.unsw.edu.au/MaterialsTesting/materialstesti ng3a.htm Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011.

(44) 23. En los casos del tipo de falla dúctil o de corte, una deformación considerable precede la fractura final y la superficie rota aparece fibrosa en lugar de cristalina.. Imag.2.3. Fuente:http://www.hsctut.materials.unsw.edu.au/MaterialsTesting/materialstesti ng3a.htm Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. En casos intermedios, la fractura se produce después de una cantidad moderada de deformación y es parte cristalina y parte fibrosa en apariencia.. Cuando una barra entallada es cargada, hay un esfuerzo normal a través de la muesca que tiende a iniciar la fractura. La propiedad que impide la escisión, o lo mantiene unido, es la fuerza de cohesión. La fractura de la barra ocurre cuando el esfuerzo normal excede la fuerza de cohesión. Cuando esto ocurre sin la deformación de la barra esto es la condición de una fractura frágil..

(45) 24. 2.4.4 Efecto de la temperatura. Las condiciones de prueba también afectan al comportamiento de la muesca. Muy pronunciado es el efecto de la temperatura sobre el comportamiento del acero cuando es entallado, esas comparaciones son frecuentemente hechas mediante la examinación del espécimen fracturado y trazando el valor de la energía y la apariencia de la fractura frente a la temperatura de pruebas de barras entalladas en una serie de temperaturas. Cuando la temperatura de prueba se ha llevado lo suficientemente bajo para iniciar una escisión, puede haber una caída muy fuerte en la energía absorbida o puede haber una caída relativamente gradual hacia las temperaturas bajas.. Esta caída en el valor de la energía se inicia cuando un espécimen comienza a exhibir cierta apariencia cristalina en la fractura. La temperatura de transición en la que este efecto de fragilización se lleva a cabo varía considerablemente con el tamaño de la muestra.. Temperatura de Transición. La temperatura de transición de dúctil a frágil es aquella temperatura debajo de la cual un material se comporta como frágil en un ensayo de impacto.. Como se puede observar en la figura 2.6, existen dos extremos en la curva, los cuales determinan los valores de temperatura límite para la transición. En el.

(46) 25. área central, se observa claramente la transición, en esta etapa el material puede cambiar sus características de forma repentina.. Fig.2.6. Fuente: Irina Ramírez M Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. 2.4.5 Orientación de la probeta. Designación del eje de la probeta. El eje – L es coincidente con la dirección principal del flujo del grano debido al procesamiento. Este eje es usualmente referido como la dirección longitudinal.. El eje – S es coincidente con la dirección de la fuerza principal de trabajo. Es referido como dirección-transversal-corta..

(47) 26. El eje – T es normal a el eje L y eje S. Este eje es referido como la dirección transversal.. Fig.2.7. Fuente: www.14Brittle_20fracture_20and_20impact_20testing.pdf Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. Longitudinal B: Muestra la mejor absorción de energía porque la propagación de la grieta es a través de la alineación de la fibra. Transverso C: Da la peor absorción de energía porque la grieta se propaga paralela a la dirección de rolado..

(48) 27. 2.5. Percutor (A). De acuerdo a la Norma ASTM E23, el percutor debe cumplir con las siguientes dimensiones y posicionamiento: Fig. 2.8. Fuente: ASTM E-23, Pag.12 Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. Cabe recalcar, que la norma ASTM E-23 no da especificación alguna sobre el material de construcción del percutor, longitud ni profundidad, dejando a libre elección estos parámetros. Por tal motivo se analizó entre diferentes materiales y se escogió el acero K100 cuyas características son las siguientes:.

(49) 28. Propiedades químicas:. Aplicaciones:. Acero ledeburítico al cromo. Herramientas de corte de gran rendimiento (matrices y punzones), útiles para la estampación, para trabajar madera, cizallas para cortar material fino, útiles para la laminación de roscas, herramientas de embutición y extrusión en frío, herramientas de prensar para la industria cerámica y farmacéutica, cilindros de rodillos múltiples para la laminación en frío, herramientas de medición, moldes de plástico.. Dado que tiene un alto contenido de cromo, forma carburos muy duros y comunica la mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura.. Existen otras normas para la determinación de parámetros de una prueba Charpy, la mayor diferencia entre estas normas es el radio del percutor. Existen generalmente dos radios normalizados, como son, 8mm y 2mm.. La norma ASTM-E23 establece los parámetros de acuerdo al percutor de radio de 8mm..

(50) 29. Ahora se realizará un análisis sobre la diferencia entre tener un percutor de radio normalizado (8mm) y uno de (2mm), basándose en que pueda existir o no diferencia sustancial con esta variación del radio del percutor.. Imag. 2.4. (1) Máximo punto de carga. (3). Flexión. (5) Deslizamiento del yunque. Fuente: Holt, John. Charpy impact test: factors and variables. Pag. 75 Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. Baja energía absorbida:. (1) Las curvas de Carga – Desplazamiento del percutor de 8mm de radio y de 2mm de radio fueron similares..

(51) 30. (2) La máxima carga del percutor de 8mm de radio fue más alta que la del percutor de 2mm de radio.. Alta energía absorbida:. (1) Las curvas de Carga – desplazamiento cambiaron en forma compleja. El segundo pico de carga aparece en el punto de aproximadamente 15mm de desplazamiento en mediana energía en el caso del percutor de 8mm de radio. EL segundo y tercer pico de carga aparece en acero de alta energía. El tercer pico aparece en el punto de desplazamiento aproximadamente de 25 mm.. (2) El segundo y tercer pico de carga del percutor de 8mm de radio fue más alto que el de 2mm de radio. El segundo pico de carga del percutor de 8mm de radio fue alrededor de 1.5 veces que el de 2mm de radio. El tercer pico de carga del percutor de 8mm de radio fue alrededor de 4 veces que es de 2mm de radio.. La diferencia de la energía absorbida entre el percutor de 8mm de radio y el de 2mm de radio es causada por la flexión de deformación de la probeta y la fricción entre el yunque y la probeta..

(52) 31. 2.5.1 Abrasión del Percutor. Los cambios de dimensiones del punto máximo de golpe con las pruebas son mostrados en la figura 2.9. Las secciones del molde de yeso del percutor son mostradas en la figura 2.10.. Fig. 2.9. Fuente: Holt, John. Charpy impact test: factors and variables. Pag. 76. Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. Existe un contraste entre el percutor de radio 8mm y el de radio 2mm. El de 8mm de radio es notoriamente disminuido. Si se observara estrictamente la norma ASTM E23 en que la tolerancia en las dimensiones es entre ±0.05mm, se debería cambiar el percutor de 8mm de radio entre las 1000 pruebas realizadas. En cambio, el percutor de 2mm de radio seria a las 30000 pruebas..

(53) 32. Fig. 2.10. Fuente: Holt, John. Charpy impact test: factors and variables. Pag.77 Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. 2.6. Principio de la prueba. La prueba de resiliencia se puede realizar a través del Péndulo de impacto con el objetivo de establecer los rasgos de fragilidad del material en un estado estándar de tensión.. Dos métodos básicos de pruebas están previstos, son diferentes entre ellos para el método de aplicación de energía sobre el espécimen en cuanto a los apoyos. En primera instancia, la “Prueba Charpy”, la tensión es aplicada en el centro del espécimen bajo la forma de una pequeña barra rectangular, mediante un martillo de una forma propiamente definida mientras las mismas espaldas de la barra están sobre dos apoyos fijos..

(54) 33. En segunda instancia, la “Prueba Izod”, la tensión es aplicada sobre uno de los extremos del espécimen, siempre bajo la forma de una pequeña barra rectangular. Mientras que la misma es bloqueada en un ángulo fijo.. En ambas instancias los especímenes están provistos o no de concentrador de esfuerzos.. 2.6.1 Desarrollo de la prueba Charpy. El procedimiento de la Prueba Charpy puede ser resumido de la siguiente manera: la probeta térmicamente acondicionada es. posicionada en los. soportes contra el yunque, el péndulo es elevado, la probeta es impactada por el percutor. Se obtiene información de la máquina y de la probeta rota.. Para posicionar una probeta en la máquina, se recomienda que pinzas auto centrantes se utilicen. Las pinzas en este caso son exclusivas para probetas tipo V. Ver anexo (K). Fig. 2.11. Fuente: Irina Ramírez Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011.

(55) 34. El ensayo de impacto a una barra con muesca requiere esencialmente una máquina de prueba rígida que está seguramente anclada a una base maciza.. Un martillo de peso M es dejado caer desde una altura H1 que permite golpear la probeta la cual descansa contra dos soportes. En el impacto, la probeta esta doblada en 3 puntos (los tres puntos de contacto siendo el martillo y los dos soportes, lo cual resulta en la iniciación y la propagación de la grieta al fondo de la muesca. En la mayoría de los casos, la fractura completa ocurre y las dos mitades de la probeta son lanzadas como el martillo pasa entre los soportes. Después del rompimiento de la probeta, el martillo se eleva a la altura H2. Una primera aproximación de la energía absorbida en el rompimiento de la probeta puede ser calculada como la diferencia en la energía potencial antes de dejarse caer el martillo (en la altura H1) y la energía potencial. en el instante de. velocidad cero (en la altura H2) después del impacto a la probeta. En la práctica actual, las correcciones por la resistencia aerodinámica y la fricción son hechas para obtener la mejor medición de la energía absorbida en el rompimiento de la probeta.. 2.6.2 Descripción general de la máquina. La máquina consta de dos columnas paralelas, perpendiculares a la base fijada al suelo, estos bastidores soportan un eje, el cual sostiene al péndulo, que en la parte inferior tiene un martillo que consta de un percutor. El martillo tiene un determinado peso y dimensiones de acuerdo a la norma ASTM E-23. En la base se encuentra el yunque que cuenta con dos soportes para asentar la probeta. Y además cuenta con todo el sistema automático de elevación, frenado y adquisición de datos..

(56) 35. Fig.2.12. Fuente: Irina Ramírez Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. 2.6.3 Partes principales de la máquina. Estructura. La estructura de la máquina consiste en dos columnas paralelas entre si y firmemente ancladas a la base que a su vez debe estar firmemente anclada al suelo para garantizar la mayor rigidez, este anclaje debe realizarse de tal.

(57) 36. manera que no afecte el paralelismo y la perpendicularidad sobre las cuales se diseñó la máquina.. El péndulo. Consta de las siguientes partes: Brazo pendular, martillo y percutor, juntos deben cumplir las siguientes características de acuerdo a la norma ASTM E-23.. . Velocidad: 3 – 6 m/s.. . Centro de percusión: Lo más cercano al punto de impacto.. . Percutor: de acuerdo a medidas específicas.. Yunque. Es un bloque sencillo el cual permanece fijo a la base, que tiene una altura adecuada para que coincida con el percutor..

(58) 37. Fig.2.13. Fuente: Irina Ramírez Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. Soportes de probeta. Son aquellas que sirven como puntos de apoyo a la probeta, dejando un canal para el paso del péndulo, el cual debe tener una distancia de 40mm de acuerdo a la norma ASTM- E23.. Fig.2.14. Fuente: Irina Ramírez Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011.

(59) 38. Sistema de freno. La máquina tiene un sistema de freno tipo disco, el cual permite frenar al péndulo luego de haber realizo la prueba, con eso se evita que el brazo del péndulo oscile un excesivo número de veces, y se pueda realizar la siguiente prueba de manera rápida.. Martillo de golpeo. Según la Norma ASTM –E23, se puede elegir entre tres tipos de formas de martillos: Tipo C, Tipo U, y tipo Compound, siendo el tipo U el más sencillo para dimensionar y alcanzar el peso deseado.. Fig. 2.15. Fuente: Irina Ramírez Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011.

(60) 39. Percutor. Este percutor, tiene una forma definida con ángulos y dimensiones específicas, con muy poco margen de tolerancia, de acuerdo a la norma ASTM E-23. Se lo ha hecho de manera desmontable, para poderse cambiar de forma rápida en caso de avería. Fig.2.16. Fuente: Irina Ramírez Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. 2.7. Cálculos. “Las condiciones de prueba estándar deben corresponder a una energía nominal de la máquina de 300. 10J y el uso de probetas de dimensiones. estándar.”6. 6. British Standard BS EN 10 045 – 1:1990. Charpy impact test on metallic materials. Part1: Test. method (V- and U – notches)..

(61) 40. La energía absorbida reportada bajo éstas condiciones se deberá designar por los símbolos:. . KU para una probeta con muesca en U. . KV para una probeta con muesca en V. De acuerdo a la norma BS EN 10 045 – 1:1990, las máquinas de prueba con diferente energía de golpe son permitidas, en tales casos los símbolos KU o KV deben suplementarse por un indicativo que denote la energía de la máquina de prueba:. La energía disponible de la máquina está regulada por la Norma ASTM E-23, y especifica que debe ser el 80% de la energía total que posee la máquina.. . KV 336: Energía disponible 336J. . KV 336 = 117J. . Energía nominal 336J. . Probeta estándar con muesca en V. . Energía absorbida durante la fractura: 117J.

(62) 41. La energía absorbida debe ser tomada como la diferencia entre la energía en el miembro golpeador en el instante del impacto con la probeta y la energía remanente después de la fractura de la probeta.. 2.8. Expansión Lateral. Los métodos de medición de la expansión lateral deben tomar en cuenta de que la trayectoria de la fractura rara vez biseca el punto de máxima expansión en ambos lados de la probeta. Una mitad de la probeta puede incluir la máxima expansión de ambos lados, un lado o ninguno. Por lo tanto, la expansión en cada lado de cada mitad de la probeta debe ser medida en relación con el plano definido por la porción no-deformada del lado de la probeta.. Fig.2.17. Fuente: ASTM E-23 Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. La suma de las dos medidas mayores, dará como resultado el valor de la expansión lateral. Las mediciones de la expansión lateral deben ser reportadas.

(63) 42. de la siguiente manera. La expansión lateral de una probeta no-rota debe ser reportada como rota si la probeta puede ser separada con solo presionar las dos mitades una hacia otra. En el caso en que la probeta no puede ser separada en dos mitades, la expansión lateral puede ser medida de acuerdo a la capacidad de acceder a los labios de corte. La probeta debe ser reportada como No-Rota.. Fig.2.18. Fuente: ASTM – E23 Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. 2.9. Corte de fractura. 2.9.1 Determinación del porcentaje de corte de fractura. El porcentaje del área de corte en la superficie de fractura de una probeta de impacto Charpy es típicamente calculada como la diferencia del área de la fractura total y el área de la fractura plana..

(64) 43. Métodos para la determinación del porcentaje del área de corte:. . Medir la longitud y el ancho de la región de la superficie de la fractura plana y determinar el porcentaje de corte con la siguiente tabla:. Tabla 2.1. Fuente: ASTM E-23 Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. . Comparar la apariencia de la fractura de la probeta con la apariencia de la tabla de apariencia de fractura:.

(65) 44. Imag.2.5. Fuente: ASTM E-23 Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. . Aumentar la superficie de fractura y comparar con la capa pre-calibrada o medir el porcentaje de fractura de corte por medio de un planímetro.. . Fotografiar la superficie de corte con un aumento adecuado y medir la fractura de corte en porcentaje con un planímetro.. . Capturar una imagen digital de la superficie de la fractura y medir la fractura de corte en porcentaje utilizando un software de análisis de imagen..

(66) 45. 2.10 REPORTES DE PRUEBAS:. Los reportes de pruebas deben incluir la siguiente información:. . Referencia del estándar.. . El tipo y las dimensiones de la probeta.. . Identificación de la probeta.. . Dirección y ubicación de muestreo cuando se conozca.. . Energía nominal del martillo.. . Temperatura de prueba de grados Celsius.. . Energía absorbida, KV o KU en Joules.. 2.11 Encoders. “Los encoders son sensores que generan señales digitales en respuesta al movimiento. Están disponibles en dos tipos, uno que responde a la rotación, y.

(67) 46. el otro al movimiento lineal. Cuando son usados en conjunto con dispositivos mecánicos tales como engranes, ruedas de medición o flechas de motores, estos pueden ser utilizados para medir movimientos lineales, velocidad y posición”7.. 2.11.1 Tipos de encoders. 2.11.1.1 Encoder incremental. “Este tipo de encoder se caracteriza porque determina su posición, contando el número de impulsos que se generan cuando un rayo de luz, es atravesado por marcas opacas en la superficie de un disco unido al eje.. Fig.2.19. Fuente: http://www.westmexico.com.mx/ pfd/dynapar /catalogos/4.Manual de Aplicación de Encoders.pdf Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. 7. http://www.westmexico.com.mx/pfd/dynapar/catalogos/4.-ManualdeAplicacion de Encoders.pdf.

(68) 47. En el estator hay como mínimo dos pares de foto-receptores ópticos, escalados un número entero de pasos más ¼ de paso. Al girar el rotor genera una señal cuadrada, el escalado hace que las señales tengan un desfase de ¼ de periodo si el rotor gira en un sentido y de ¾ si gira en el sentido contrario, lo que se utiliza para discriminar el sentido de giro.. Un simple sistema lógico permite determinar desplazamientos a partir de un origen, a base de contar impulsos de un canal y determinar el sentido de giro a partir del desfase entre los dos canales. Algunos encoders pueden disponer de un canal adicional que genere un pulso por vuelta y la lógica puede dar número de vueltas más fracción de vuelta. La resolución del encoder depende del número de impulsos por revolución.”8. 2.11.1.2 Código gray. “El código Gray es un tipo especial de código binario que no es ponderado (los dígitos que componen el código no tienen un peso asignado).. Su característica es que entre una combinación de dígitos y la siguiente, sea ésta anterior o posterior, sólo hay una diferencia de un dígito. Por eso también se le llama código progresivo. Esta progresión sucede también entre la última y la primera combinación. Por eso se le llama también código cíclico. ( ver tabla 2.2).. 8. http://www.forosdeelectronica.com/f16/encoders-informacion-tecnica-25/.

(69) 48. El código GRAY es utilizado principalmente en sistemas de posición, ya sea angular o lineal. Se utilizan unos discos codificados para dar la información de posición que tiene un eje en particular. Esta información se da en código GRAY.”9. Analizando la tabla 2.2 se observa que:. Tabla 2.2. Fuente: www.unicrom.com Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. - Cuando un número binario pasa de: 0111 a 1000 (de 7 a 8 en decimal) o de 1111 a 0000 (de 16 a 0 en decimal) cambian todas las cifras.. 9. http://www.unicrom.com/dig_codigo-GRAY.asp.

(70) 49. - Para el mismo caso pero en código Gray: 0100 a 1100 (de 7 a 8 en decimal) o de 1000 a 0000 (de 16 a 0 en decimal) sólo ha cambiado una cifra.. La característica de pasar de un código al siguiente cambiando sólo un dígito asegura menos posibilidades de error.. 2.11.1.3 Método para convertir un número en binario a GRAY. Para convertir un número binario a código Gray, se sigue el siguiente método: (analizar la figura 2.20). Fig.2.20. Fuente: www.unicrom.com Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. . Se suma el número en binario con el mismo, pero el segundo sumando debe correrse una cifra a la derecha.. . Se realiza una suma binaria cifra con cifra sin tomar en cuenta el acarreo y se obtiene la suma total..

(71) 50. . Al resultado anterior se le elimina la última cifra del lado derecho (se elimina el cero que está en rojo), para obtener el código GRAY.. 2.11.1.4 Método para convertir código GRAY a binario. . El primer dígito del código Gray será el mismo que el del binario.. . Si el segundo dígito del código Gray es "0", el segundo dígito binario es igual al primer digito binario, si este dígito es "1" el segundo dígito binario es el inverso del primer dígito binario.. . Si el tercer dígito del código Gray es "0", el tercer dígito binario es igual al segundo dígito binario, si este dígito es "1", el tercer dígito binario es el inverso del segundo dígito binario y se repite esta forma hasta terminar.. 2.11.2 Encoder absoluto. “En el encoder absoluto, el disco contiene varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas, dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en sectores, con marcas opacas y transparentes codificadas en código Gray..

(72) 51. Fig. 2.21. Fuente: http://www.forosdeelectronica.com/f16/encoders-informaciontecnica-25/ Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. El estator tiene un foto-receptor por cada bit representado en el disco. El valor binario obtenido de los foto-receptores es único para cada posición del rotor y representa su posición absoluta. Se utiliza el código Gray en lugar de un binario clásico porque en cada cambio de sector sólo cambia el estado de una de las bandas, evitando errores por falta de alineación de los captadores. Para un encoder con n bandas en el disco, el rotor permite 2^n combinaciones, por lo cual la resolución será 360° dividido entre los 2^n sectores; Por ejemplo para encoders de 12 y 16 bits se obtiene una resolución angular de 0.0879° y 0.00549°respectivamente. Resolución angular = 360°/2^n.. Generalmente, los encoders incrementales proporcionan mayor resolución a un costo más bajo que los encoders absolutos. Además, su electrónica es más simple ya que tienen menos líneas de salida..

(73) 52. Típicamente un encoder incremental solo tiene cuatro líneas: 2 de cuadratura, una de poder y una tierra. Un encoder absoluto tiene una línea de salida por cada bit, una línea de poder y la tierra.”10. Fig. 2.22. Fuente: http://www.forosdeelectronica.com/f16/encoders-informaciontecnica-25/ Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. 2.12 Softwares. 2.12.1Twido suite. Al encontrarse más familiarizado con los equipos de automatización Telemecanique, se utilizará el software de programación Twido Suite.. El Twidosuite es el entorno de programación para TWIDO. La navegación del software se realiza mediante estados y tareas, y para esto se utiliza el lenguaje de programación por Rungs, o escalones. 10. http://www.forosdeelectronica.com/f16/encoders-informacion-tecnica-25/.

(74) 53. Ya que se utilizará un encoder, el cual emite pulsos eléctricos, y tomando en consideración la velocidad de la emisión de los pulsos, se aprovechará la función del Contador Muy Rápido que ofrece este programa.. 2.12.1.1 Instrucciones de contaje muy rápido VFC:. “El bloque de función de contador muy rápido (%VFC) puede configurarse mediante TwidoSuite para realizar una de las funciones siguientes:. . Contador progresivo/regresivo. . Contador progresivo/regresivo bifásico. . Contador progresivo. . Contador regresivo individual. . Frecuencímetro. El %VFC admite el conteo de la entrada binaria hasta frecuencias de 20 kHz en modo computacional de palabra o de palabra doble”.. “Asignaciones de E/S especializadas.. Los bloques de función de contadores muy rápidos (%VFC) utilizan entradas especializadas y entradas y salidas auxiliares. Estas entradas y salidas no están reservadas para el uso exclusivo de estos bloques de función. Para su.

(75) 54. asignación se debe tener en cuenta el uso de estos recursos especializados por parte de otros bloques de función.”11. El encoder absoluto se caracteriza por tener dos fases que emiten pulsos alternadamente y la combinación de estos pulsos da como resultado la determinación del sentido de giro, por tal motivo se utilizará la función Contador Progresivo/Regresivo Bifásico del bloque de función %VFC.. Fig. 2.23. Fuente: Manual de Ayuda de TwidoSuite Elaborado por: Irina Ramírez M. – 2011. De acuerdo al modelo TWIDO TWDLCAA16DRF que se escogió, se puede tener 2 contadores muy rápidos como máximo, ya que necesita entradas especializadas. En este caso solo se utilizará un VFC por lo tanto se utilizaran: Entradas especializadas:. Entrada A:. %I0.1. Entrada B:. %I0.0 (pulso). Salidas especializadas desde %Q0.0 hasta %Q0.3. 11. Manual de Ayuda de TwidoSuite.