Una década antes de que un iceberg rompiera las placas del casco del Titanic y medio siglo antes de que una plaga de fracturas frágiles comenzara a hundir los barcos Liberty durante la Segunda Guerra Mundial, científicos de Estados Unidos y Francia habían ideado una novela, y sorprendentemente simple, método para medir la forma en que el metal reacciona al impacto.

Hoy dia, ese método, con algunas mejoras y mejoras, sigue siendo la prueba estándar utilizada en todo el mundo para juzgar la resistencia al impacto de los metales utilizados en la construcción de puentes, calderas de alta presión, barcos oceánicos, placa de armadura, recipientes a presión nucleares, y otras aplicaciones. Ahora está a punto de mejorar significativamente, gracias en gran medida a un programa de investigación cooperativa de científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).

"Conocer las propiedades dinámicas de tracción y fluencia a tasas de carga muy altas puede ser de vital importancia para evaluar la capacidad de impacto de dispositivos y estructuras, "dijo Enrico Lucon, un ingeniero veterano y experto en pruebas en el laboratorio Charpy del NIST en Boulder, Colorado."

Cada tipo de metal tiene una combinación de propiedades frágiles y dúctiles (más blandas o menos frágiles). Las medidas que revelan esas propiedades, llamadas pruebas de Charpy, se fabrican en una máquina que consta de un largo, brazo ponderado, suspendido por un eje, que se balancea como un péndulo. Se coloca una muestra con muescas del material a ensayar en la base de la máquina en el punto más bajo del arco del péndulo.

El brazo se eleva a una altura exactamente medida y luego se suelta. Se balancea hacia abajo rompiendo la muestra, y continúa su oscilación hacia arriba hasta alcanzar una altura máxima inferior a su altura inicial. La diferencia entre las dos alturas es una medida de cuánta energía se gastó en romper la muestra.

En su forma clásica, la máquina tiene muchas fuentes de error, y es difícil comparar los resultados de diferentes dispositivos. Desde la década de 1920, Los investigadores han estado equipando el borde de impacto en forma de cuña del péndulo (llamado percutor) con instrumentos conocidos como galgas extensométricas, que envían señales eléctricas proporcionales a la deformación del percutor durante el impacto.

Los huelguistas instrumentados ofrecen la posibilidad de una precisión mucho mayor. En el presente, sin embargo, "no existe un acuerdo internacional sobre la forma y configuración del delantero, donde se colocan las galgas extensométricas, cuántos calibres se utilizan, qué tan cerca del borde de impacto se encuentran, y más, ", Dijo Lucon." Hemos estado trabajando durante un par de años, y estamos a medio camino del punto de proponer un diseño optimizado para los delanteros Charpy instrumentados ".

Los investigadores del NIST también están trabajando en un problema relacionado importante:preocupaciones de precisión sobre el método actual ampliamente utilizado para calibrar las galgas extensométricas. Es un proceso estático (calibración estática) en el que se aplica una fuerza exactamente conocida al percutor y se registra el voltaje resultante.

"Pero el impacto es un proceso muy dinámico, "dijo el físico del NIST Akobuije Chijioke, cuyo grupo se ha asociado con el laboratorio Charpy para desarrollar una calibración mejorada de los percutores instrumentados. "La relación entre la fuerza y ​​el voltaje de salida del percutor puede cambiar mucho durante un impacto que suele durar desde menos de 1 milisegundo hasta 5 milisegundos".

Se han desarrollado métodos para mejorar esto, por ejemplo, aprovechando la medición de la energía absorbida en una prueba Charpy, pero falta una verdadera calibración dinámica de las medidas de fuerza Charpy. "Para abordar esto, estamos desarrollando una verdadera calibración dinámica rastreable por SI, ", Dijo Chijioke. El proceso emplea un estándar de transferencia de fuerza calibrado dinámicamente, traído del Laboratorio de Metrología de Fuerza Dinámica en Gaithersburg, Maryland.

Los instrumentos de NIST pueden registrar millones de lecturas de tensión y voltaje por segundo. "Para determinar la proporción de fractura dúctil a frágil en varios tipos de acero, necesitas ese tipo de resolución, "Dijo Lucon.

Los investigadores de Charpy también están probando huelguistas rediseñados. "El diseño del delantero afecta lo bien que se puede calibrar, y cuánta información puede sacar, "Chijioke dijo, como cuánto se moverá una fuerza determinada, o desplazar, el material de interés. "El objetivo es proporcionar SI rastreable, mediciones de fuerza consistentes que permiten datos de fuerza-tiempo comparables en todos los tipos de máquinas Charpy y logran un verdadero procedimiento de calibración dinámica para los huelguistas Charpy instrumentados. El diseño del delantero impacta nuestra capacidad para lograr esto ". El equipo de NIST se está acercando a un diseño que Lucon llamó" no definitivo, pero extremadamente prometedor ".

Por supuesto, no todas las máquinas de uso industrial tienen cerraderos equipados. Pero todos ellos aún deben verificarse periódicamente utilizando estándares emitidos por organizaciones como la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) International. Esto se hace utilizando probetas de acero de referencia. NIST juega un papel clave en este proceso en todo el mundo al proporcionar muestras de prueba estándar (generalmente 10 x 10 x 55 mm, aproximadamente del tamaño de un dedo humano) disponible en tres niveles de dureza, que se puede utilizar para verificar máquinas con dos configuraciones de percutor diferentes.

NIST certifica sus muestras de referencia utilizando tres de las múltiples máquinas Charpy del laboratorio de Boulder, y se envía alrededor de 2, 000 conjuntos de cinco especímenes por año. Debido a que la tenacidad al impacto cambia con la temperatura, NIST requiere que sus muestras se prueben a -40 ° C. La mayoría de los demás institutos nacionales de metrología producen muestras que deben analizarse a temperatura ambiente.

"Debido a su combinación de simplicidad y confiabilidad, la prueba Charpy se ha integrado en especificaciones de acero en todo el mundo para garantizar la resistencia necesaria para aplicaciones de infraestructura crítica como puentes, estructuras de construcción, infraestructuras nucleares, y oleoductos, "dijo el científico de materiales del NIST James Fekete, quien dirige la división que incluye el laboratorio Charpy. "El programa NIST combinado con el estándar de prueba ASTM asegura una escala de energía globalmente confiable para la prueba Charpy con las incertidumbres más bajas obtenidas hasta la fecha"