Resiliencia en Materiales: Ensayo de Charpy e Izod

1. Comportamiento de Materiales Bajo Cargas Progresivas y Puntuales

Los materiales no se comportan de la misma forma bajo cargas progresivas o puntuales. Cuando se aplica una carga progresivamente, el material tiene tiempo para deformarse plásticamente y distribuir el esfuerzo, lo que generalmente resulta en una mayor resistencia. En cambio, una carga puntual o de impacto concentra el esfuerzo en un área pequeña, lo que puede llevar a una falla prematura, incluso con una carga total menor.

2. Ejemplos Reales de Importancia de la Resiliencia

• El hundimiento del Titanic: El acero utilizado en el casco del Titanic tenía baja resiliencia a bajas temperaturas, lo que lo hizo frágil y contribuyó a su fractura al impactar con el iceberg.
• Estructuras de vehículos (como el Seat 600 en su época, o los vehículos modernos): Los materiales de la carrocería y el chasis deben ser resilientes para absorber la energía de un impacto en caso de colisión, protegiendo a los ocupantes. Los parachoques y zonas de deformación programada están diseñados con este fin.

3. Definición de Resiliencia

La resiliencia es la capacidad de un material para absorber energía cuando se deforma elásticamente bajo una carga de impacto y liberar esa energía cuando se elimina la carga. Se puede cuantificar como la energía absorbida por unidad de volumen o superficie hasta la rotura por impacto.

4. Secuencia del Ensayo de Resiliencia (Charpy)

1. Se coloca una masa pendular determinada a una altura inicial (ángulo de partida), que se registra en la aguja indicadora.
2. Se deja caer el péndulo para que impacte la probeta en su punto más bajo.
3. Después del impacto, el péndulo asciende hasta un ángulo menor (B) debido a la energía absorbida por la probeta. La altura de llegada será inferior a la de partida, lo que indica una diferencia en la energía potencial.
4. Se calcula la energía absorbida por la probeta a partir de la diferencia de alturas (o ángulos) inicial y final del péndulo.

5. Valor y Uso de los Resultados del Ensayo

Los valores del ensayo de resiliencia suelen expresarse directamente como la energía consumida en el impacto, en Julios (J). Aunque estos valores son útiles para comparar la tenacidad relativa de diferentes materiales, no se emplean directamente en cálculos mecánicos de diseño como se haría con la resistencia a la tracción o el límite elástico. Son más bien una medida cualitativa de la tenacidad al impacto.

6. Sujeción, Forma de la Probeta y Cuchilla en el Péndulo de Charpy

• Sujeción: La probeta se sitúa entre los apoyos, correctamente centrada.
• Zona de colocación: La zona de colocación de la probeta tiene una forma específica para asegurar un apoyo adecuado y una fractura controlada. Los apoyos suelen ser redondeados.
• Cuchilla: La cuchilla que golpea la probeta tiene un borde redondeado con un radio y ángulo especificados en las normas de ensayo (por ejemplo, ASTM E23 o ISO 148).
• El plano de simetría de la entalla debe coincidir con el plano de los apoyos.

7. Tipos de Probetas para el Ensayo de Resiliencia

Existen varios tipos de probetas estandarizadas, que difieren principalmente en la geometría de la entalla:

• Probeta con entalla en V (Charpy V-notch): Es la más común.
• Probeta con entalla en U (Charpy U-notch): Menos severa que la entalla en V.
• Probeta con entalla en "ojo de cerradura" (Keyhole notch): Similar a la entalla en U, pero con una geometría ligeramente diferente.

La misión de la entalla es concentrar el esfuerzo en un punto específico de la probeta, promoviendo la fractura en esa zona y asegurando que la rotura ocurra de manera consistente y reproducible durante el ensayo.

8. Importancia de las Condiciones del Ensayo

Sí, las condiciones del ensayo, como la temperatura y la velocidad de impacto, son muy importantes porque afectan significativamente la resiliencia del material. Al disminuir la temperatura, muchos materiales (especialmente los aceros) se vuelven más frágiles y, por lo tanto, su resiliencia disminuye. La velocidad de impacto también influye; a mayor velocidad, el material puede tener menos tiempo para deformarse plásticamente, lo que reduce la energía absorbida.

9. Validez del Ensayo y Resiliencia del Material

Para que el ensayo se considere válido, la probeta debe romperse en dos mitades. Si la probeta no se rompe, sino que se dobla completamente (en forma de bisagra), se considera que el material tiene una resiliencia muy alta, superior al límite de medición del equipo (a menudo, superior a 300 J).

10. Zona de Transición

La zona de transición es el rango de temperaturas en el que un material cambia su comportamiento de dúctil (alta resiliencia) a frágil (baja resiliencia). Es importante conocerla porque, por debajo de la temperatura de transición, el material es susceptible a la fractura frágil, lo que puede tener consecuencias catastróficas en aplicaciones de ingeniería. Siempre que la temperatura de servicio se encuentre por encima de la temperatura de transición, no existirá riesgo de rotura frágil.

11. Influencia de la Temperatura y la Velocidad de Impacto

• Temperatura: Al disminuir la temperatura, los materiales, en especial los aceros al carbono, se vuelven más frágiles, disminuyendo su resiliencia.
• Velocidad de impacto: Una mayor velocidad de impacto generalmente resulta en una menor deformación plástica y, por lo tanto, una menor resiliencia. El material tiene menos tiempo para absorber la energía.

12. Diferencias y Semejanzas entre los Métodos Izod y Charpy

Diferencias:

• Posición de la probeta: En el método Charpy, la probeta se apoya en ambos extremos (simplemente apoyada). En el método Izod, la probeta se empotra verticalmente por un extremo.
• Posición de la entalla: En el método Charpy, la entalla se coloca en el lado opuesto al impacto del péndulo. En el método Izod, la entalla se coloca en el mismo lado del impacto.

Semejanzas:

• Ambos métodos utilizan un péndulo para aplicar una carga de impacto a una probeta entallada.
• Ambos métodos miden la energía absorbida por la probeta durante la fractura.
• Ambos son ensayos destructivos.
• Ambos se utilizan para evaluar la tenacidad al impacto de los materiales.