Ensayo de impacto Charpy del acero para herramientas

El ensayo en un párrafo

En el ensayo Charpy, una barra entallada se apoya en ambos extremos y se rompe mediante un solo golpe de un péndulo que incide en el centro de la probeta en el lado opuesto a la entalla. La probeta se rompe en la entalla, las dos mitades salen despedidas y el péndulo pasa entre las dos partes del yunque. La diferencia entre la altura de caída y la altura de ascenso da la energía absorbida al deformar y romper la probeta, y la máquina está calibrada para leer esa energía directamente, sumando de vuelta las pérdidas por fricción y resistencia del aire. Esto es carga en tres puntos. El ensayo Izod utiliza el mismo tipo de péndulo y una barra entallada similar, pero la probeta se sostiene como voladizo y se golpea por encima de la entalla, y los dos ensayos no arrojan los mismos valores.

El ensayo Charpy con entalla en V es el ensayo de impacto más utilizado y más ampliamente especificado en la industria. Sus limitaciones son conocidas y son reales: la entalla es roma, la probeta es pequeña y el valor único de energía mezcla la iniciación y la propagación de la grieta. Sobrevive porque es económico, simple y extremadamente sensible a los factores que vuelven frágil al acero, y porque décadas de correlación con el desempeño en servicio lo han convertido en un ensayo de aceptación utilizable incluso donde no predice el comportamiento de una pieza de tamaño completo.

La probeta y la entalla deciden el resultado

Existen tres probetas Charpy estándar: entalla en V, entalla en U y ojo de cerradura. La barra con entalla en V es la probeta principal y la que se usa para acero para herramientas. Las otras dos se usan en algunas industrias, entre ellas la de fundición de acero, pero la entalla de ojo de cerradura y la entalla en U fueron reconocidas ya en 1945 como generadoras de temperaturas de transición inadecuadas porque la entalla es roma, y la restricción y triaxialidad que generan son considerablemente menores que las de una barra con entalla en V. Una temperatura de transición medida en una probeta de ojo de cerradura no es una temperatura de transición con entalla en V.

Las tolerancias de mecanizado de la probeta no son una formalidad. La barra debe ser cuadrada, y rectificar caras opuestas en paralelo no la hace cuadrada. La entalla es la característica más crítica de toda la probeta: su forma y tamaño deben mantenerse exactamente según la norma, su acabado debe ser liso pero no pulido, y conviene examinarla con cierto aumento con un microscopio estereoscópico o un comparador óptico, donde se puede superponer una plantilla de entalla en V. Las entallas en V se cortan en máquinas brochadoras dedicadas o en una fresadora con fresa de volante. Un agujero de ojo de cerradura se taladra a baja velocidad para no introducir calor ni endurecimiento por deformación, y luego se corta la ranura sin dejar que la fresa golpee el fondo del agujero. Una regla prevalece sobre todo esto: todo el entallado se realiza después de cualquier tratamiento térmico, porque una entalla cortada antes del temple no tendrá la geometría que el ensayo supone.

La orientación es la segunda variable y, en barra forjada o laminada, es la que sorprende a la gente. Si no se indica nada, la probeta se orienta a lo largo de la dirección de laminación de la placa o de la dirección de conformado de la pieza, con la entalla perpendicular a esa superficie, que es la orientación que da los valores de impacto máximos. Cortar la probeta de modo que la entalla quede a lo largo de la dirección de fibra, o cortarla transversalmente, cambia sustancialmente el resultado. Para el acero para herramientas suministrado como barra forjada o laminada, la dirección de la que se toma una probeta Charpy debe figurar en el certificado de ensayo junto al valor.

Las probetas de tamaño reducido no escalan directamente

Existen barras de tamaño reducido para el caso en que no hay material suficiente para una probeta de tamaño completo o la forma de la pieza no permite cortar una. Solo deben usarse por esa razón. Existe correlación entre los resultados de tamaño completo y de tamaño reducido, pero no es directa, por lo que las normas especifican valores de aceptación separados para cada tamaño.

Valores mínimos de impacto por tamaño de probeta. Deben usarse probetas de tamaño completo siempre que sea posible; los tamaños reducidos se aplican cuando no hay material suficiente para una barra de tamaño completo.

La temperatura de ensayo es parte del resultado

Un valor de energía Charpy sin temperatura no es un resultado. Salvo que se especifique otra cosa, el ensayo se realiza entre 21 y 32 °C (70 y 90 °F), pero la mayoría de los ensayos Charpy se realizan por debajo de eso, porque el comportamiento interesante del acero se encuentra en la transición dúctil a frágil, que para la mayoría de los aceros ocurre entre la temperatura ambiente y -46 °C (-50 °F). Los ensayos también se realizan hasta -196 °C (-320 °F) para servicio criogénico, y más abajo para trabajos de investigación.

El control de temperatura es donde el procedimiento es más fácil de equivocar. Hasta aproximadamente -59 °C (-75 °F) el medio habitual es alcohol etílico con hielo seco, que se solidifica a unos -68 °C (-90 °F). Las probetas se colocan en un recipiente aislado sobre una rejilla elevada al menos 25 mm por encima del fondo para que el líquido refrigerante circule por debajo de ellas, cubiertas por al menos 25 mm de líquido, con un termómetro o termopar calibrado que lea la temperatura cerca del centro del grupo de probetas y el baño agitado para que la temperatura sea uniforme. Las pinzas usadas para mover las probetas se introducen en el mismo baño, o calentarán la probeta en el camino hacia la máquina. Las probetas se mantienen dentro de +0 y -1.5 °C (+0 y -3 °F) de la temperatura de ensayo durante al menos cinco minutos, luego se retiran de a una y se rompen dentro de los cinco segundos. Por debajo de -59 °C se necesita un líquido que no se solidifique, entre ellos el isohexano o el nitrógeno líquido. El ensayo a alta temperatura utiliza un aceite agitado de alto punto de inflamación, con el baño y las probetas mantenidos a temperatura en un horno durante al menos diez minutos.

Cuando los resultados se grafican frente a la temperatura, la transición aparece como la caída desde la meseta superior de alta energía hasta la meseta inferior de baja energía. Donde la transición es abrupta, la temperatura de transición es fácil de identificar en la curva; donde es gradual, que es el caso común, se especifica un nivel de energía en su lugar y el material se trata como frágil por debajo de él. A menudo se usa un valor de 20 J (15 ft · lbf) como ese nivel.

Cómo leer un valor Charpy

Los resultados de impacto se informan de tres maneras, y las normas permiten más de una de ellas en la misma probeta porque responden a preguntas diferentes. La energía es el valor que se especifica con más frecuencia. El porcentaje de corte y la expansión lateral se toman de las mitades rotas después del ensayo y describen cómo falló la probeta en lugar de cuánta energía requirió, por lo que son las medidas que se usan cuando un resultado Charpy debe correlacionarse con un ensayo de tenacidad que utiliza una probeta diferente y una velocidad de carga diferente.

Las tres formas en que se reporta un resultado de ensayo Charpy, con los mínimos que se especifican con mayor frecuencia para los aceros. Recopilado del texto del artículo.

Se ensayan tres probetas a cada temperatura y el promedio es el resultado. Cuando se especifica un mínimo para la aceptación, no más de una de las tres puede quedar por debajo de él, y si una probeta se sitúa alrededor de 6 J (5 ft · lbf) por debajo del promedio, el material se rechaza o se reensaya, en cuyo caso deben ensayarse tres probetas adicionales y todas ellas deben cumplir el mínimo. Los dos umbrales que conviene tener presentes cuando se discute una cifra de tenacidad son que las energías Charpy de aproximadamente 14 J (10 ft · lbf) y menores probablemente inicien una fractura, y que alrededor de 27 J (20 ft · lbf) es donde una fractura frágil, una vez iniciada, probablemente se propague. Se necesitan valores muy superiores a ese para detener una grieta en propagación.

Lo que el ensayo no hace es producir un número para diseño. La energía Charpy es una medida comparativa, y las correlaciones empíricas que la convierten en tenacidad a la fractura, K_Ic, son válidas solo dentro de una clase limitada de acero y un rango limitado de datos; además combinan una entalla roma y una alta velocidad de carga en un resultado que se compara con una grieta aguda cargada lentamente. Son útiles como guías y sustentan algunos códigos de diseño, pero un valor Charpy no debe presentarse como una tenacidad a la fractura.

Qué significa esto para un pedido de acero para herramientas

Una cifra de tenacidad publicada para un grado de acero para herramientas se mide en una probeta de entalla en V de tamaño completo, en una orientación declarada, en una condición de tratamiento térmico declarada y a una temperatura declarada. Cambie cualquiera de esos factores y el número varía, por lo que un resultado Charpy solo es comparable con otro resultado obtenido de la misma manera. Las discrepancias más comunes en el acero para herramientas son una cifra citada para la temperatura de revenido óptima comparada con una herramienta que se revenido en otro punto, y una cifra medida en una barra de tamaño completo comparada con un resultado de probeta de tamaño reducido de un cliente que no pudo cortar una. Cuando se usa la tenacidad para elegir entre dos grados, la comparación debe hacerse con el mismo tamaño de probeta, la misma orientación y la misma condición de revenido. Las energías de impacto publicadas para los grados comunes a su temperatura de revenido óptima se recopilan en nuestra tabla de tenacidad al impacto del acero para herramientas, y la forma en que una deficiencia de tenacidad se manifiesta en servicio se trata en Desgaste por impacto y desprendimiento de herramientas.

Fuente: ASM Handbook, Volume 8, Mechanical Testing and Evaluation, ASM International, 2000. Artículo Impact Toughness Testing (PDF p1352-1392). Los valores mínimos para probetas de tamaño reducido son la Tabla 1 de ese artículo.