En la mayoría de aplicaciones, los materiales están sometidos a esfuerzos estáticos donde las cargas son aplicadas lentamente y de manera gradual. Un ejemplo son las cargas de nieve en la cubierta de una estructura. Para conocer el comportamiento de los materiales en condiciones estáticas se realizan pruebas como el ensayo de tracción, aportando una información muy valiosa sobre las propiedades mecánicas del material.
¿Pero qué ocurre cuando las cargas son aplicadas súbitamente, en modo de impacto? Los materiales no se comportan de igual manera ante este efecto, debido a la influencia de la velocidad de aplicación. Para analizar estos casos existen ensayos específicos, conocidos como ensayos de impacto o ensayos dinámicos. En este artículo explicamos en qué consisten el ensayo Charpy y el ensayo Izod.
Ensayo Charpy
El ensayo Charpy es un ensayo dinámico que fue creado por Georges Charpy en 1901. Para realizarlo es necesario contar con un péndulo de Charpy. Éste será el encargado de impactar en una probeta del material provocando su rotura, evaluando posteriormente la energía absorbida.
Los pasos para realizar el ensayo son los siguientes:
Preparación de la probeta para el ensayo: las probetas para el ensayo Charpy se encuentran normalizadas, con el objetivo de que las dimensiones cumplan siempre las mismas condiciones, no afectando al resultado de la prueba. Estas probetas suelen ser alargadas y pueden contar con una entalla en la parte central para favorecer la rotura gracias al fenómeno de concentración de tensiones en la zona.
Colocación de la probeta: la probeta se coloca simplemente apoyada por sus extremos, de modo que reciba el impacto en el lado contrario a la entalla.
Colocación del péndulo en la posición inicial: el péndulo consiste en una masa, m, sujeta por un brazo de longitud L que pivota (gira) respecto de un centro. Al comienzo del ensayo, el péndulo debe colocarse en posición elevada, a una altura h respecto de la posición más baja.
Liberación del péndulo: el péndulo se deja caer sin velocidad desde la posición de inicio. En su trayecto golpeará a la probeta apoyada en el soporte rompiéndola. El péndulo seguirá girando hasta alcanzar una altura final, h’, en el lado opuesto. Obviamente, la altura final, h’, será inferior a la altura inicial, h. Para que el ensayo pueda darse por válido la probeta debe haberse fracturado.
Lectura de la energía absorbida: antes de colocar el péndulo de nuevo en la posición inicial, debe obtenerse la lectura del aparato. Los modelos antiguos cuentan con una aguja que indica la medida de manera analógica, mientras que los más modernos cuentan con lector digital.
¿Qué representa la medida obtenida en el ensayo Charpy?
La medida obtenida en el ensayo Charpy representa la cantidad de energía que ha sido absorbida por la probeta, en modo de energía de deformación hasta la fractura, lo que se conoce como resiliencia.
Para entender este concepto, es preciso fijarnos en los cambios de energía que se producen durante el ensayo. Al inicio, el péndulo cuenta con energía potencial, E1, relativa a la altura inicial, h. Su energía cinética es nula debido a que no tiene velocidad.
Al soltarlo, la energía potencial se va transformando en energía cinética conforme el péndulo gana velocidad, hasta que éste llega a su posición final, definida por h’. En el punto final, la velocidad del péndulo vuelve a ser cero, por lo que únicamente tiene energía potencial, E2.
Evidentemente, como h’ es menor que h, la energía potencial final es inferior a la inicial. Pero la energía ni se crea ni se destruye, ¿qué ha pasado entonces con la cantidad que falta? Asumiendo que el péndulo está diseñado para que las pérdidas por rozamiento sean compensadas, la diferencia de energía potencial entre las posiciones inicial y final es la cantidad de energía que ha absorbido la probeta del material estudiado durante su deformación.
Así, la energía absorbida, E, puede calcularse en función de las alturas inicial y final, más concretamente, en función de los ángulos inicial, α, y final, β, respecto de la vertical.
Cuanto menos altura alcance el péndulo al final, mayor ha sido la deformación y la energía absorbida por la probeta, tiene mayor resiliencia, ρ, que puede obtenerse dividiendo la energía absorbida por la sección en la zona central de la probeta, S.
\rho = \dfrac{E}{S} = \dfrac{{mgL\left( {\cos \beta – \cos \alpha } \right)}}{{ab}}\;\;\left[ {\dfrac{J}{{{m^2}}}} \right]
¿Qué representa la resiliencia de un material obtenida en el ensayo de impacto?
Es una medida de la ductilidad o fragilidad del material ante impactos. Los materiales dúctiles tienen una resiliencia alta, ya que pueden deformarse acumulando energía. Por el contrario, los materiales frágiles no admiten deformación, presentando una baja resiliencia.
Hay distintas variables que afectan a esta propiedad:
- Velocidad de deformación: la velocidad de impacto tiene una gran influencia, ya que el aumento de la velocidad de deformación reduce la resiliencia del material, es decir, tiende a presentar un comportamiento más frágil.
- Temperatura: la disminución de la temperatura conlleva, generalmente, la reducción de la resiliencia, fragilizando el material.
- Radio de entalla: el aumento del fenómeno de concentración de tensiones reduce la resiliencia.
¿Por qué es tan importante el efecto de la temperatura?
En ciertos materiales, la temperatura presenta una alta influencia en el comportamiento dúctil o frágil del material, encontrando una transición desde un comportamiento frágil (bajas temperaturas) a un comportamiento dúctil (altas temperaturas). En la zona de transición se identifica la temperatura de transición dúctil-frágil que separa ambas zonas. Para determinar esta temperatura es necesaria repetir el ensayo Charpy a distintas temperaturas. 
Conocer la temperatura de transición dúctil-frágil de un material es muy importante para asegurar que siempre se cumplen los requerimientos de las aplicaciones, de modo que un cambio en la temperatura no genere un comportamiento diferente en el material y conduzca al fallo de las piezas. En el pasado, algunos desastres como el hundimiento de los buques Liberty, o la explosión del transbordador Challenger están asociados a este efecto.
Ensayo Izod
Se trata de un ensayo de impacto de similar ejecución al ensayo Charpy, con la diferencia de que la probeta se sujeta por un extremo, quedando en voladizo (en lugar de estar apoyada por ambos extremos como en el ensayo Charpy). El péndulo impacta con el extremo en voladizo provocando su fractura.
Si queréis ampliar un poco más vuestros conocimientos sobre el ensayo Charpy os animo a ver el siguiente vídeo donde se detallan todos estos conceptos con animaciones!!