Unidad 2. Indicadores de Propiedades Resistentes
5- Ensayo de Resiliencia
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Ensayo de Resiliencia
Es el ensayo para ponderar la resistencia al choque en las condiciones especificadas en el mismo, las que son condiciones fragilizantes del material. La resistencia al choque es una medida de la tenacidad de un material, la que se define como la capacidad de absorción de energía antes de aparecer la fractura súbita.

En el ensayo de tracción uniaxial fue cuantificada la tenacidad por la energía absorbida por el volumen de la probeta hasta alcanzar la carga de máxima resistencia, Pr. Corresponde a la tenacidad en condiciones de velocidad de aplicación de carga calificada como pequeña, casi nula. Mayores velocidades de aplicación de la carga influyen con menores medidas de tenacidad.

En todos los ensayos los parámetros controlados están influidos por las condiciones que definen el ensayo: forma y tamaño de la probeta, temperatura, velocidad de aplicación de la carga, etc. En el caso de la medida de la tenacidad la influencia de estos parámetros externos o internos es todavía más evidente que en otros ensayos. Por estas circunstancias pueden existir diversos ensayos definitorios de la tenacidad. En el que observaremos en este capitulo es el denominado de resiliencia, sin menoscabo de otros que ponderan la tenacidad en condiciones diferentes como en el caso de los ensayos KIC que se analizan en el siguiente apartado.

La condición fundamental que determina el ensayo de resiliencia es la velocidad de aplicación de cargas la que corresponde a la caída libre de una carga ligada a un péndulo. Una máquina universalmente aplicada es el péndulo de Charpy que se esquematiza en la figura 2.24.
 

Figura 2.24. a) Pendulo Charpy para el ensayo de resiliencia. b) Esquema del péndulo.
El péndulo Charpy dispone de una masa M montada en el extremo del brazo, de longitud l, que pivota en el centro A. El ensayo de resiliencia consiste en golpear una probeta apoyada en s con la masa del péndulo que ha sido abandonada en caída libre desde una altura prefijada H. La energía absorbida, Ea, por la probeta para producir su fractura es la medida de la tenacidad del material en las condiciones del ensayo.

Los parámetros primarios que definen el campo de resiliencia son:

a)  Velocidad de impacto en la probeta, v.
b)  Energía cinética en el punto de alcanzar la probeta, Ec.
Estos parámetros son función de las variables de ensayo del péndulo (M, H o a) a través de las expresiones conocidas:

 v = (2 g h)½ = [2 g l (1-cos a)]½                (2.35)
 Ea = g M h = g M l (1-cos a)                      (2.36)

La energía absorbida por la probeta en su fractura Ea se cuantifica por la diferencia de alturas de la masa del péndulo desde su posición inicial P y su posición final P', que forma un ángulo a', después de efectuar la fractura. Si se desprecian resistencias pasivas, la energía absorbida viene definida por:

 Ea = g M l (cos a' - cos a)                          (2.37)

 

Figura 2.25.  a) Diferentes entallas normalizadas. b) Probetas tipo Charpy.
Las probetas pueden ser de formas variables. Estas definen por si mismas tipos de ensayo como el Charpy en U o en V, Izod, DVM, etc. Esto es consecuencia de la fuerte incidencia que la forma de la probeta induce en la energía unitaria absorbida en la fractura.

Su variabilidad es determinada por los parámetros siguientes:

a) Forma de la entalla que se le practica en el centro de la barreta prismática. En la figura 2.25 se 
    observan diversas formas de entalla que han sido aprobadas por normativas oficiales EN, ASTM, etc.

b) Tipo de apoyo de la probeta en el péndulo, utilizándose:

1- Dos apoyos en los extremos, probeta biarticulada; por ejemplo el ensayo Charpy.
2- Empotramiento en un extremo; por ejemplo el ensayo Izod.
A modo ilustrativo del ensayo de resiliencia, se realiza éste de acuerdo con las variables que se incluyen en la tabla 2.4, recogiéndose los resultados obtenidos en la tabla 2.5, donde se detallan los siguientes parámetros:
. La sección neta de la probeta a x b.
. El ángulo a' después de la fractura.
. El ángulo b formado por las dos medias probetas fracturadas, al juntar sus secciones 
  complementarias.
. La sección media de fractura a' x b'.
. La morfología de las secciones fracturadas, diferenciando:
. Zona brillante cristalina.
. Zona gris.

TABLA 2.4. Serie de ensayos de resiliencia a realizar.

ENSAYO Nº
1
2
3
4
5
6
7
ANGULO ai
60
90
120
120
120
120
120
PROBETA Pi
P1
P1
P1
P2
P3
P1
P1
TEMPERATURA Ti
20 
20
20
20
20
0
20

TABLA 2.5. Resultados de los ensayos de resiliencia Charpy.

ENSAYO Nº
1
2
3
4
5
6
7
ANGULO ai
60
90
120
120
120
120
120
PROBETA Pi
P1
P1
P1
P2
P3
P1
P1
TEMPERATURA Ti (°C)
20
20
20
20
20
0
20
SECCION a x b, S (mm2)
80
80
80
80
80
80
80
ANGULO b 
45
49
58
51
42
115
156
SECCION a' x b', Su (mm2)
69.7
72.3
76.9
72.5
69.1
179.1
179.5
SUPERFICIE GRIS, Sg (mm2)
75
61
48
63
76
12
4
SUP. BRILLANTE, Sb (mm2)
5
19
32
17
4
68
76
RESILIENCIA (kgm/cm2)
16.3
14.9
12.6
14.4
16.8
4.0
2.3
VELOCIDAD CARGA,vc (m/s)
3.13
4.43
5.42
5.42
5.42
5.42
5.42
RELACION Su/S (%)
87.1
90.4
96.1
90.6
86.4
98.9
99.4

 
5.1 CALCULO DE LA RESILIENCIA

Tal como se define la resiliencia puede expresarse ésta como la relación entre la energía absorbida por unidad de superficie fracturada Sf como:

 r = Ea/Sf = g M l (cos a' - cos a)/a.b                             (2.38)

En el péndulo Charpy empleado, g M = 16 Kg y l = 1 m. El resto de variables están especificadas en el cuadro de resultados. Las unidades usuales son de energía por unidad de superficie, Kgm/cm2, MPa·m, o equivalentes.

En el cuadro de resultados, en el apartado de resultados calculados, se especifican las resiliencias halladas para cada probeta.

5.2 INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD DE APLICACION DE LA CARGA

Si establecemos la correlación gráfica entre las resiliencias obtenidas  con probetas Charpy en V, P1, y la velocidad de aplicación de la carga y a través de la expresión 2.35 calculamos la velocidad de aplicación de la carga empleada en los ensayos 1 a 3. Para los parámetros del péndulo, la expresión toma la forma:

 vc = [2 x 9.81 x 1 x (1-cos a)]½                                        (2.39)
cuyos resultados para los diferentes valores de a se han indicado en la fila vc de la tabla de resultados.

En la figura 2.26 se representa en ordenadas la resiliencia r y en abscisas las velocidades de aplicación, vc, encontrándose una correlación inversa entre ambos parámetros.

La influencia acusada de la velocidad de aplicación de la carga sobre la resiliencia de un material obliga a fijar la velocidad de impacto para que los resultados obtenidos en distintos materiales sean comparables.

En la norma EN 10045-1 se fija la velocidad entre 5 y 5.5 m/s, correspondiente a una altura de caída libre de 1.27 metros.

Figura 2.26. Correlación gráfica entre la resiliencia y la velocidad
de aplicación de la carga.

 
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