Introducción

Esta lección desarrolla la preparación del ensayo Charpy V-notch antes de romper la probeta. Incluye la máquina de impacto, el control de temperatura, el equipo de manejo, el muestreo, el número de especímenes, el uso de probetas de tamaño completo, probetas subsize, probetas tubulares con curvatura original y la preparación de la muesca.

El objetivo es comprender que el resultado Charpy depende de una preparación controlada. La máquina, la energía disponible, la posición del espécimen, la temperatura, la geometría de la probeta y la muesca forman parte directa de la validez del resultado.

El ensayo no inicia en el momento del golpe. Inicia desde la selección de la ubicación de prueba, la orientación de la probeta, el tamaño del espécimen, el acondicionamiento térmico, el manejo previo al impacto y la verificación de que la máquina sea adecuada para la energía esperada.

Desarrollo

La máquina Charpy utiliza un péndulo que golpea una probeta entallada. La energía del golpe se predetermina Por altura fija de liberación y masa conocida del péndulo. Como se conocen la altura desde la que se libera el péndulo y su masa, la máquina dispone de una energía inicial definida antes del impacto.

Durante el ensayo, parte de esa energía se consume al romper la probeta. La máquina debe contar con un medio para indicar la energía absorbida durante la ruptura. Por ello, la lectura de energía no depende solo de que la probeta se rompa, sino de que el equipo permita registrar la diferencia de energía asociada con esa ruptura.

La probeta se coloca en el dispositivo de soporte como una viga simple. La colocación correcta es Como viga simple, con la cara entallada vertical y golpe en la cara opuesta a la entalla. Esta posición controla la forma en que el impacto actúa sobre la probeta y evita alterar el modo de ruptura previsto.

El soporte de la probeta, los yunques y el borde de golpe deben mantener la geometría requerida para el ensayo. La distancia entre apoyos, la posición del espécimen, el radio del percutor y las tolerancias del dispositivo no son elementos secundarios: influyen en la energía absorbida y en el modo de fractura.

Las máquinas Charpy usadas para productos de acero suelen tener capacidades dentro del intervalo de 220 ft·lbf a 300 ft·lbf, equivalente aproximadamente a 300 J a 400 J. Pueden existir máquinas de menor capacidad, pero la capacidad de la máquina debe estar sustancialmente por encima de la energía absorbida esperada por las probetas. Si la capacidad del equipo se aproxima demasiado a la energía absorbida por el material, la medición puede perder margen técnico.

La velocidad lineal en el punto de impacto debe ubicarse en el intervalo de 16 ft/s a 19 ft/s, equivalente aproximadamente a 4.9 m/s a 5.8 m/s. Este control forma parte de la condición dinámica del ensayo, porque el golpe debe producirse dentro del intervalo de velocidad previsto.

La norma cita un reporte de investigación sobre el efecto del radio del percutor. Esa referencia debe tratarse como apoyo técnico controlado: se reconoce que existe información sobre la influencia del radio del percutor, pero no se desarrolla el reporte como contenido independiente de esta lección.

Para ensayos realizados fuera de temperatura ambiente, las probetas deben acondicionarse en medios a temperatura controlada. El medio térmico tiene la función de llevar la probeta a la temperatura de prueba antes de colocarla en la máquina. Si la temperatura no se controla, el resultado puede no corresponder a la condición especificada.

Los medios de baja temperatura suelen ser fluidos enfriados, como agua, hielo con agua, hielo seco con solventes orgánicos o nitrógeno líquido. También pueden utilizarse gases enfriados. La selección del medio depende de la temperatura requerida y de la capacidad para mantener una condición térmica controlada.

Los medios de temperatura elevada suelen ser líquidos calentados, como aceites minerales o aceites de silicón. También pueden utilizarse hornos de aire circulante. En todos los casos, el medio debe permitir que la probeta alcance la temperatura requerida sin alterar indebidamente la condición de la muesca o del espécimen.

El manejo de las probetas después del acondicionamiento requiere equipo adecuado. Normalmente se utilizan pinzas adaptadas para ajustarse a la muesca de la probeta, retirar el espécimen del medio y colocarlo sobre el yunque. Este control evita que el manejo modifique de forma importante la temperatura de la zona crítica antes del impacto.

Cuando el dispositivo de la máquina no centra automáticamente la probeta, las pinzas pueden maquinarse con precisión para ayudar al centrado. El centrado correcto es parte de la preparación del ensayo, porque una probeta mal colocada puede recibir el golpe fuera de la posición prevista.

La ubicación y orientación de las probetas debe provenir de la especificación aplicable. Cuando no existe una indicación específica, para productos trabajados se utiliza la misma ubicación indicada para la probeta de tensión y la orientación es longitudinal, con la muesca perpendicular a la superficie principal del producto ensayado.

Esta regla evita seleccionar probetas por conveniencia. La ubicación y orientación pueden afectar la energía absorbida, la apariencia de fractura y la expansión lateral. Por ello, deben registrarse antes del ensayo y mantenerse vinculadas con la especificación aplicable.

Todas las probetas usadas para un ensayo Charpy deben provenir de un solo cupón de prueba o de una sola ubicación de prueba. Esta condición mantiene la coherencia entre los especímenes que se comparan dentro de una misma evaluación.

Cuando la especificación requiere un resultado promedio mínimo, se ensayan Tres probetas. Ese número permite obtener un promedio representativo de la ubicación de prueba definida. No debe sustituirse por una cantidad distinta si la especificación exige promedio mínimo.

Cuando la especificación requiere determinar una temperatura de transición, normalmente se necesitan de ocho a doce probetas. Esta cantidad permite cubrir un intervalo de temperaturas y observar cómo cambia el comportamiento del material dentro de la zona de transición.

La probeta estándar Charpy V-notch de tamaño completo debe usarse como condición principal cuando pueda prepararse. La figura correspondiente muestra la geometría de la probeta de viga simple, la muesca, las dimensiones principales y las tolerancias aplicables.

La probeta de tamaño completo tiene sección de 10 mm por 10 mm. La geometría de la muesca, el ángulo, el radio, la profundidad, el acabado superficial, el centrado de la muesca y la longitud del espécimen deben mantenerse dentro de las tolerancias indicadas para conservar comparabilidad y validez del ensayo.

Cuando se trata de material plano con espesor menor de 7/16 in., equivalente a 11 mm, deben utilizarse probetas subsize estándar. También deben utilizarse probetas subsize cuando se espera que la energía absorbida exceda 80 % de la escala completa de la máquina. En ambos casos, la reducción de tamaño responde a una limitación técnica, no a conveniencia operativa.

Para materiales tubulares ensayados en dirección transversal, cuando la relación entre diámetro y espesor de pared no permite obtener una probeta estándar de tamaño completo, se pueden utilizar probetas subsize estándar o probetas de tamaño estándar que contengan la curvatura original del diámetro exterior.

Cuando se conserva la superficie original del diámetro exterior en una probeta tubular, las demás dimensiones deben cumplir los requisitos geométricos de la probeta Charpy aplicable. La curvatura OD no elimina el control dimensional de la probeta ni autoriza modificar la muesca o el resto de la geometría fuera de los límites indicados.

En materiales con niveles de tenacidad superiores a aproximadamente 50 ft·lbf, una probeta que conserva la superficie original del diámetro exterior puede producir valores mayores que los obtenidos con probetas Charpy convencionales. Esta advertencia debe considerarse al interpretar resultados de probetas tubulares con curvatura original.

Si no puede prepararse una probeta estándar de tamaño completo, debe prepararse la probeta subsize estándar más grande que sea factible. Además, la probeta debe maquinarse de manera que no incluya material más cercano a la superficie que 0.020 in., equivalente a 0.5 mm. Esta condición evita que la zona superficial influya indebidamente cuando se requiere una probeta representativa de una ubicación interna.

Las probetas subsize estándar incluyen secciones de 10 mm por 7.5 mm, 10 mm por 6.7 mm, 10 mm por 5 mm, 10 mm por 3.3 mm y 10 mm por 2.5 mm. Las tolerancias aplicables se muestran en la figura de probetas Charpy de tamaño completo y subsize.

En probetas subsize estándar, la muesca debe prepararse en la cara angosta, de modo que la muesca quede perpendicular a la cara de 10 mm de ancho. Esta orientación de la muesca es necesaria para que el impacto actúe sobre la geometría prevista de la probeta.

La preparación de la muesca es crítica. Puede realizarse mediante maquinado, fresado, brochado o rectificado, pero el resultado debe conservar el perfil requerido. La muesca no es un detalle visual: define la concentración de esfuerzo y condiciona el inicio de la fractura durante el impacto.

La preparación de la entalla es crítica porque Pequeñas desviaciones en radio, perfil o marcas de herramienta pueden variar los datos. Este efecto es especialmente relevante en materiales con baja energía de absorción de impacto, donde cambios pequeños en la muesca pueden modificar de forma apreciable el resultado.

La figura de probetas Charpy también especifica tolerancias de apoyo para la geometría. Entre ellas se incluyen el ángulo de la muesca, el radio de la muesca, la profundidad de la muesca, el centrado, la longitud del espécimen, las dimensiones de sección transversal y los requisitos de acabado superficial. Estos controles ayudan a asegurar que las probetas sean comparables.

La máquina Charpy debe calibrarse y ajustarse conforme al método externo citado para impacto de barra entallada. La referencia a E23 – Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials debe tratarse como remisión controlada: se reconoce su función para calibración, verificación y procedimiento relacionado, pero no se desarrolla su contenido completo dentro de esta lección.

La preparación del ensayo debe integrar máquina, capacidad, velocidad de impacto, soporte, yunque, percutor, temperatura, medio de acondicionamiento, equipo de manejo, ubicación, orientación, número de probetas, tamaño, muesca, geometría tubular cuando aplique y calibración. Omitir cualquiera de estos elementos puede generar resultados no trazables o técnicamente deficientes.

Referencias a tablas, notas y figuras

FIG. 10 – Charpy (Simple-beam) Impact Test funciona como apoyo visual para comprender la máquina, el soporte tipo viga simple, la posición de la probeta, los yunques, el borde de golpe y la relación entre la muesca y la dirección del impacto.

FIG. 11 – Charpy (Simple Beam) Impact Test Specimens funciona como apoyo dimensional para probetas Charpy de tamaño completo y subsize. Incluye geometría de muesca, dimensiones principales, tolerancias y tamaños subsize estándar.

FIG. 12 – Tubular Impact Specimen Containing Original OD Surface funciona como apoyo visual para probetas de impacto tubulares que conservan la superficie original del diámetro exterior. Su función es mostrar la curvatura permitida y las dimensiones relevantes sin sustituir los requisitos geométricos de la probeta Charpy.

E23 – Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials se conserva como remisión externa controlada para aspectos de máquina, manejo, calibración y procedimiento relacionados con impacto. Su contenido completo no se desarrolla dentro de esta lección.

ASTM Research Report RR:A01-1001 – Investigation of striker radius effect se conserva como referencia controlada vinculada al efecto del radio del percutor. Su función es documental y de apoyo; no se desarrolla como contenido independiente.

Conclusión

La preparación de Charpy requiere control de máquina, probeta, entalla, temperatura, muestreo, manejo y calibración. El ensayo no comienza en el momento del impacto, sino desde la selección y acondicionamiento de las probetas.

La validez del resultado depende de que la probeta esté correctamente ubicada, que la entalla cumpla su geometría, que la temperatura esté controlada, que el número de probetas corresponda al criterio especificado y que la máquina esté calibrada y tenga capacidad adecuada para la energía esperada.

Una probeta Charpy con muesca mal preparada, tamaño inadecuado, orientación no trazada, acondicionamiento térmico deficiente o colocación incorrecta puede producir un resultado que no represente adecuadamente el comportamiento del material bajo las condiciones especificadas.

Pregunta Reflexiva

Si una probeta Charpy tiene una entalla con radio, perfil o acabado fuera de control, ¿por qué el resultado de energía absorbida podría no representar correctamente el comportamiento del material?