Los materiales de ingeniería se utilizan en entornos en los que sufrirán daños por impacto. Dado que la resistencia al daño por impacto es una propiedad tan importante para los materiales de ingeniería, este laboratorio se dedicará a la teoría detrás de las pruebas de impacto y los procedimientos utilizados para realizar las pruebas de impacto. Las pruebas de impacto determinan la resistencia al impacto, una propiedad del material, más comúnmente midiendo el trabajo requerido para fracturar una muestra de prueba bajo impacto. Las pruebas de impacto son útiles en el análisis y predicción de los comportamientos de diferentes materiales bajo esfuerzos de impacto o carga dinámica. Sin embargo, dichas pruebas no pueden predecir directamente la reacción de un material a la carga de la vida real. En su lugar, los resultados se utilizan con fines comparativos. Las pruebas de impacto encajan en dos categorías principales: (a.) impacto de baja velocidad y (b.) impacto de alta velocidad. Estas dos categorías principales conducen a tres tipos principales de pruebas de impacto. Las pruebas de impacto Charpy y las pruebas de impacto de caída de peso entran en la categoría de pruebas de impacto de baja velocidad. Las pruebas de impacto balístico entran en la categoría de pruebas de impacto de alta velocidad. Para todos los dispositivos de prueba de impacto instrumentados de baja velocidad, hay tres componentes principales: la celda de carga dinámica (o tup), el sistema de visualización de datos y la unidad de acondicionamiento de señales. El tup se coloca en el impactador utilizado para golpear la muestra. Dentro del tup hay un medidor de tensión que mide el cambio en la tensión frente al tiempo cuando el impactador golpea la muestra. La unidad de acondicionamiento de señales elimina el ruido asociado con la señal y el sistema de visualización de datos traza los datos medidos. La prueba de impacto más común es la prueba de impacto Charpy. La prueba de impacto Charpy es una prueba de alta velocidad de deformación que mide el trabajo requerido para romper una muestra en flexión. Los especímenes Charpy son especímenes prismáticos rectangulares uniformes con una muesca por espécimen para estimular la ruptura. La máquina de prueba Charpy se compone esencialmente de un martillo con una cabeza de percusión (en este laboratorio se usó una cabeza en forma de cuña) unido a un péndulo casi sin fricción con una energía potencial conocida. Cuando se suelta desde una altura conocida, el martillo golpea el espécimen Charpy colocado en el yunque, generalmente fracturándolo. Luego, la máquina de prueba registra la cantidad de energía utilizada para fracturar el espécimen determinando la diferencia en la energía potencial del martillo antes de soltarlo y en el pico de su movimiento ascendente después de la ruptura. Esto viene dado por la ecuación energía de fractura = mg (h - h'), donde h es la altura original del martillo, h' es el pico de la primera subida, m es la masa del martillo y g es la aceleración debido a la gravedad.

Las pruebas de impacto están diseñadas para medir la resistencia al fallo de un material a una fuerza aplicada repentinamente. La prueba mide la energía del impacto, o la energía absorbida antes de la fractura. Los métodos más comunes para medir la energía de impacto son:

La energía de impacto es una medida del trabajo realizado para fracturar una muestra de prueba. Cuando el golpeador impacta el espécimen, el espécimen absorberá energía hasta que ceda. En este punto, la muestra comenzará a sufrir deformación plástica en la muesca. La muestra de prueba continúa absorbiendo energía y el trabajo se endurece en la zona plástica en la muesca. Cuando la muestra no puede absorber más energía, se produce una fractura.

Si bien se usa más comúnmente en metales, también se usa en polímeros, cerámicas y compuestos. La prueba de Charpy se usa más comúnmente para evaluar la tenacidad relativa o la resistencia al impacto de los materiales y, como tal, a menudo se usa en aplicaciones de control de calidad donde es una prueba rápida y económica. Se usa más como una prueba comparativa que como una prueba definitiva.

Las muestras de prueba Charpy normalmente miden 55x10x10mm y tienen una muesca mecanizada en una de las caras más grandes. Las muescas pueden ser:

• Muesca en V: una muesca en forma de V, de 2 mm de profundidad, con un ángulo de 45 ° y un radio de 0.25 mm a lo largo de la base

• Muesca en U o muesca: una muesca de 5 mm de profundidad con un radio de 1 mm en la base de la muesca.

La prueba de Charpy implica golpear una pieza de prueba adecuada con un golpeador, montado al final de un péndulo. La pieza de prueba se fija en su lugar en ambos extremos y el golpeador impacta la pieza de prueba inmediatamente detrás de una muesca mecanizada.

En el punto de impacto, el delantero tiene una cantidad conocida de energía cinética. La energía de impacto se calcula en función de la altura a la que se habría elevado el delantero, si no hubiera una muestra de prueba, y esto se compara con la altura a la que el delantero realmente se eleva.  Los materiales resistentes absorben mucha energía, mientras que los materiales frágiles tienden a absorber muy poca energía antes de la fractura.

Los factores que afectan la energía de impacto Charpy de una muestra incluirán:

• Límite elástico y ductilidad

• Muescas

• Temperatura y velocidad de deformación

• Mecanismo de fractura

Para un material dado, se verá que la energía de impacto disminuye si aumenta el límite elástico, es decir, si el material se somete a algún proceso que lo hace más frágil y menos capaz de sufrir deformación plástica. Dichos procesos pueden incluir trabajo en frío o endurecimiento por precipitación.

La muesca sirve como zona de concentración de tensión y algunos materiales son más sensibles a las muescas que otros. La profundidad de la muesca y el radio de la punta son, por lo tanto, muy importantes.

La mayor parte de la energía de impacto se absorbe por medio de la deformación plástica durante la producción del espécimen. Por lo tanto, los factores que afectan el comportamiento del rendimiento y, por lo tanto, la ductilidad del material, como la temperatura y la tasa de deformación, afectarán la energía del impacto. Este tipo de comportamiento es más prominente en materiales con una estructura cúbica centrada en el cuerpo, donde bajar la temperatura reduce la ductilidad de manera más marcada que los materiales cúbicos centrados en la cara.

Los metales tienden a fallar por uno de dos mecanismos, coalescencia o escisión microvoide. La división puede ocurrir en materiales cúbicos centrados en el cuerpo, donde la división tiene lugar a lo largo del plano de cristal {001}. La coalescencia microvoide es el mecanismo de fractura más común en el que se forman huecos a medida que aumenta la tensión, y estos huecos finalmente se unen y se produce un fallo. De los dos mecanismos de fractura, la escisión implicaba mucha menos deformación plástica y, por lo tanto, absorbe mucha menos energía de fractura.

Algunos materiales como los aceros al carbono se someten a lo que se conoce como una "transición dúctil a frágil". Este comportamiento es obvio cuando la energía de impacto se representa en función de la temperatura. La curva resultante mostrará una caída rápida de la energía de impacto a medida que disminuye la temperatura. Si la energía de impacto cae muy bruscamente, se puede determinar una temperatura de transición. Esto es a menudo un buen indicador de la temperatura mínima de servicio recomendada para un material.