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.

Figura 2.26. Esquema del péndulo Charpy

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 2.26.
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)

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.

Figura 2.27. Formas diferentes de entallas.

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 2.27 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.

5.1 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

Figura 2.28. Alzado de probeta de resiliencia.

a)	Elaborar probetas de acero dulce AE 235 con dimensiones norma-lizadas EN 10045-1, figura 2.28, y entallas siguientes: P1 - Entalla en V, radio de fondo 0.25 mm, 15 unidades. P2 - Entalla en V, radio de fondo 0.50 mm, 3 unidades. P3 - Entalla en V, radio de fondo 0.75 mm, 3 unidades.
b)	Elevar la masa M del péndulo Charpy hasta una altura que forme un ángulo a, variable, con la vertical.
c)	Mantener las probetas en congelador hasta alcanzar las temperaturas seleccionadas, T1.
d)	Situar las probetas seleccionadas, P1, P2 o P3, en el portaprobetas coincidiendo la entalla con el recorrido del centro de la masa.
e)	Soltar la masa del péndulo que producirá la fractura de la probeta.
f)	Tomar mediciones de:
	La sección neta de la probeta a x b.   El ángulo a' después de la fractura.   El ángulo ß formado por las dos medias probetas fracturadas, al juntar sus secciones complementarias.   La sección media de fractura a'xb'.   La morfología de las secciones fracturadas, diferenciando: Zona brillante cristalina. Zona gris.

Se realizan los ensayos de resiliencia de acuerdo con las variables que se incluyen en la tabla 2.4.
En la tabla 2.5, se anotan las medias de cada tres probetas de las mediciones realizadas en los ensayos con variables ai, Pi, Ti.

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 2.4. Serie de ensayos de resiliencia a realizar

 

TABLA 2.5. Resultados de los ensayos de resiliencia Charpy.

 

5.2.SOBRE EL ENSAYO DE RESILENCIA

5.2.1. 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.

5.2.2. 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 2.29 se representa en orde-nadas 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.

5.2.3. INFLUENCIA DE LA ENTALLA.

Como puede observarse en la tabla 2.5, las probetas de resiliencia P1, P2 y P3 tienen una sección mínima de fractura 8 x 10 = 80 mm², diferenciándose exclusivamente en el radio del fondo de entalla.
En la figura 2.30 se gráfica la correlación entre las resiliencias encontradas para las probetas 3, 4 y 5, rotas en ensayos a 20ºC y velocidades de 5 m/s, con relación a los radios de fondo de entalla re, único parámetro variable en estos tres ensayos.
Se observa la fuerte influencia sobre la resiliencia que ejerce la disminución del radio del fondo de entalla, por efecto desfavorable de la concentración de tensiones.
La notable influencia del radio del fondo de entalla sobre los valores de resiliencia medidos, es la causa del riguroso control que exige la norma de resiliencia para que los resultados obtenidos sean comparables.
Por la norma EN 10045-1 se establecen tres tipos de probetas según la entalla:

a)	En forma de V, radio de fondo re = 0.25 mm.
b)	En forma de U, radio de fondo re = 1 mm.
c)	En forma de herradura, con radio de 1 mm y ancho máximo 1.6 mm.

5.2.4. LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA.
Si establecemos la correlación gráfica entre las resiliencias obtenidas con probetas tipo Charpy en V, re = 0.25 mm y la temperatura de ensayo Te, para condiciones invariantes de la velocidad de aplicación de la carga, encontramos que los ensayos 3, 6 y 7 recogen los resultados realizados en las condiciones expuestas en la cuestión: invariancia del radio de entalla y de la velocidad de aplicación de la carga y variación de la temperatura de ensayo, Te. La figura 2.31 muestra la correlación gráfica entre la resiliencia r y la temperatura Te.

 

 

Figura 2.31. Correlación de la resiliencia, r, con la temperatura de ensayo, Te, para probetas Charpy V, re = 0.25 mm y vc = 0.5 m/s.

Se observa una caída brusca del nivel de resiliencia entre 0 y -20°C para el acero ensayado AE 235 y resto de condiciones de ensayo, hasta el punto de presentar un comportamiento totalmente frágil.
Algunos materiales, como el acero, presentan una fuerte disminución de la resiliencia cuando se desciende a determinados niveles de temperatura. Este hecho justifica la exigencia de las normas UNE sobre el nivel de resiliencia a temperaturas especificadas por el servicio, habitualmente a 20ºC, 0ºC, -20ºC, -40ºC.

5.2.5. FORMAS DE LAS SUPERFICIES DE FRACTURA.

Se diferencian las dos formas, como las más características de la fractura: a) cristalina brillante, con planos geométricos. b) Fibrosa, mate.

Figura 2.32. Sección fracturada. A) Superficie cristalina, Sb. B) Superficie gris, Sg.

 

En todas las secciones de fractura aparecen claramente diferenciadas las dos formas de fractura citadas. En la fotografía de la figura 2.32 se observan ambas secciones con la distribución de la superficie ocupada por la parte brillante, Sb, y la superficie gris, Sg.
La situación de las dos superficies es la que corresponde a la fotografía: la superficie cristalina, Sb, interior a la superficie fibrosa, Sg.
La relación entre la sección cristalina o fibrosa respecto a la sección total de fractura, se ha indicado en el cuadro de resultado. Se observa como esta proporción es distinta para cada uno de los ensayos.

5.2.6. CAUSAS DE LAS ALTAS Y BAJAS RESILIENCIAS.
El ensayo con menor resiliencia es el nº 7 que corresponde a las condiciones de temperatura Te = -20ºC y mínimo radio de fondo re = 0.25mm.
Podemos observar que es la que dispone de mayor superficie de fractura brillante tipo cristalino, y complementariamente menos de tipo grisáceo.
El ensayo con mayor resiliencia es el nº 5, para condiciones de temperatura Te = 20ºC, máximo radio de entalla re y mínima velocidad de ensayo vc. También puede observarse que a esta probeta le corresponde el valor de menor superficie de fractura brillante, cristalina, y complementariamente mayor de la fractura del tipo grisáceo.
Las fracturas de tipo cristalino se alcanzan con baja absorción de energía. Las fracturas del tipo grisáceo, textura leñosa, muestran la mayor absorción de energía o resiliencia.

5.2.7. CAUSAS DE LA RESPUESTA DE RESILIENCIA.
A partir de los datos establecidos en la tabla, r y Sg pueden representarse en ordenadas y abscisas respectivamente. La figura 2.33 muestra esta correlación.

Se observa el alto grado de correlación entre la resiliencia r y la sección fibrosa Sg. Ello nos permite pronosticar:

a)	Que el aumento de la resiliencia está condicionado al aumento de la sección fibrosa.
b)	Que la sección cristalina no influye en la tenacidad del material.

La resiliencia de un material está determinada por la sección de fractura dúctil resultante.

5.2.8. INFLUENCIA DE LA DUCTILIDAD.
Si establecemos la correla-ción gráfica entre la reducción de sección, Su, en la fractura, y la del ángulo ß después de la fractura, con la resiliencia, encontramos que la reducción de sección a' x b' = Su y el ángulo ß formado por las semiprobetas después de la fractura son indicadores de la plasticidad del material. Este establecimiento de la correlación entre estos parámetros y la resiliencia puede demostrar que el comportamiento dúctil es el que provoca el aumento de resiliencia, r.

En la figura 2.34 se establece la correlación entre la reducción de la sección Su/S y ß con la resiliencia.
Se desprende de la alta correlación alcanzada que: las altas resiliencias son proporcionadas por estructuras de comportamiento dúctil.
Por conexión con lo explicado anteriormente, decimos que las secciones fibrosas de fractura son indicadores de un comportamiento del tipo dúctil del material.
Las velocidades altas de impacto, los altos concentradores de tensiones y las bajas temperaturas influyen en un comportamiento no dúctil, frágil, del material.