3 ensayo y tratamiento de materiales solo teoria para imprimir

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3 ensayo y tratamiento de materiales solo teoria para imprimir

  1. 1. CURSO: 2º BACH TECNOLOGIA INDUSTRIAL OBJETIVOS I.3 1. Diferenciar entre las distintas propiedades que caracterizan los materiales, fundamentalmente la de los metales. UNIDAD DIDÁCTICA: 2. Conocer los principales tipos de deformaciones. 3. Analizar los ensayos más utilizados para conocer la respuesta de los materiales frente a distintas situaciones de trabajo. ENSAYOS Y 4. Analizar los datos que se obtienen de los ensayos. TRATAMIENTOS DE 5. Comprender la importancia de los tratamientos de los materiales. LOS MATERIALES 6. Analizar los principales tipos de tratamientos. 7. Conocer las distintas formas de corrosión y los posibles tratamientos. BLOQUE I: Materiales 1.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 2.- ENSAYOS DE LOS MATERIALES Los materiales se diferencian por sus propiedades. Con los ensayos se intenta simular las condiciones Algunas de las más empleadas son: Cohesión: resistencia que oponen las moléculas de los materiales a separarse de trabajo de un material para determinar su unas de otras. idoneidad. Ductilidad: capacidad de los materiales para deformarse cuando se les aplica un esfuerzo de tracción. Dureza: resistencia que opone un material a ser penetrado o rayado por otro. Elasticidad: capacidad de un material de recobrar su forma primitiva cuando cesa la causa que lo deformó. Fatiga: resistencia a la rotura de un material sometido a esfuerzos variables tanto en magnitud como en sentido. Fragilidad: propiedad contraria a la tenacidad. Los materiales frágiles tienen muy poca zona plástica. Maleabilidad: capacidad de los materiales de deformarse plásticamente frente a esfuerzos de compresión. Plasticidad: capacidad de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes sin llegara romperse. Resiliencia: capacidad de un material de absorber energía en la zona elástica al someterlo a un esfuerzo de rotura. http://www.scribd.com/doc/20242334/ENSAYOS-DE-LAS-PROPIEDADES-DE-LOS-MATERIALES 1
  2. 2. 2.1- CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS 2.1.1.- Rigurosidad del ensayo Debido a la diversidad de propiedades y a las Ensayos científicos: se hacen en laboratorios especializados y permiten obtener valores precisos y reproducibles de las diferentes formas de determinarlas, los ensayos se propiedades ensayadas, ya que las condiciones a las que se pueden clasificar según distintos conceptos: somete el material están convenientemente normalizadas. Rigurosidad del ensayo Ensayos tecnológicos: se hacen en fábrica e indican calidades de material. Naturaleza del ensayo Utilidad de la pieza después del ensayo Velocidad de aplicación de los esfuerzos 2.1.2.- Naturaleza del ensayo 2.1.3.- Utilidad de la pieza después del ensayo Ensayos químicos: permiten conocer la composición Ensayos destructivos: son aquellos que producen un daño o cualitativa y cuantitativa del material, así como la naturaleza del rotura de la pieza sometida al ensayo. enlace químico o la estabilidad del material en presencia de Ensayos no destructivos: se analizan los defectos externos compuestos corrosivos. e internos de una pieza mediante procedimientos de Ensayos metalográficos: con el uso de microscopios, observación directa empleando microscopios, rayos X, permiten conocer la estructura interna del material. ultrasonidos, campos magnéticos, etc. 3 METALOGRAFIA.pdf Ensayos físicos: tienen por objeto cuantificar ciertas propiedades físicas tales como: densidad, punto de ebullición, punto de fusión, conductividad eléctrica, conductividad térmica, etc. Ensayos mecánicos: con ellos se determina la resistencia del material a ciertos esfuerzos. Son los que fundamentalmente estudiaremos. 2
  3. 3. 2.1.4.- Velocidad de aplicación de los esfuerzos 2.2.- ENSAYOS MECÁNICOS Ensayos estáticos: son aquellos en los que la velocidad de Los ensayos de este tipo más importantes son: aplicación de la fuerza no influye en el resultado. Un ejemplo Dureza de este tipo, es el ensayo de tracción. Tracción Ensayos dinámicos: en ellos, la velocidad de aplicación de las fuerzas forma un papel importante en el ensayo. Un Resiliencia ejemplo de este tipo, es el ensayo de flexión. Fatiga DEFORMACIONES A LAS QUE SE PUEDE SOMETER UN MATERIAL 2.2.1- Ensayos de dureza al rayado Para los metales se emplea el método Martens que consiste en medir el surco que deja una punta de diamante con forma piramidal con dimensiones normalizadas a la que aplicamos una carga constante y que se desplaza sobre la superficie del metal. 3
  4. 4. 2.2.2.- Ensayos de dureza por penetración 2.2.2.1.- Método Brinell (HB) (UNE 7- 422 - 85) Emplea como penetrador una Se trata de averiguar la dureza de un bola de acero muy duro de material por la huella que deja un diámetro conocido (entre 1 y penetrador al que aplicamos un peso 10mm). constante. Al someter la bola a una carga determinada, se produce en el Los más empleados para los metales material una huella en forma de casquete esférico. son: Método Brinell (HB) El tiempo que dura este ensayo Método Vickers (HV) es de unos 15s. Método Rockwell La medida del diámetro de la huella se realiza mediante lupa graduada o microscopio. 2.2.2.2.- Método Vickers (HV) (UNE 7- 423 - 84) Este método se emplea para durezas superiores a 400 HB. En este caso el penetrador es una pirámide regular de base cuadrada cuyas caras forman un ángulo de 136°. La medida del diámetro de la huella se realiza mediante lupa graduada o microscopio. 4
  5. 5. 2.2.2.3.- Método Rockwell (UNE 7-424-89) Permite determinar la dureza, a partir de la profundidad de la huella. El penetrador empleado depende del material a ensayar HRB materiales blandos (60-150HV) bola de acero HRC materiales duros (235-1075HV) cono de diamante con 120° de ángulo Forma de realizar el ensayo: 1.- Se aplica al penetrador una carga de 10 kg durante un tiempo determinado. Esta carga provoca una huella de profundidad h0. 2.- Después, dependiendo de la dureza del material, se añade la carga adicional que puede ser de 60, 100 ó 150kg. La profundidad de la huella alcanza entonces el valor h1 . 3.- Al retirar la carga adicional, el penetrador retrocede por la recuperación elástica del material. La huella adquiere entonces una profundidad e=h1-h0 La dureza Rockwell queda determinada por: HRC=100-e HRB = 130-e Se observa que cuando mayor es la profundidad e menor es la dureza del material. El durómetro para Rockwell, a diferencia de los anteriores, está provisto de una escala graduada que permite realizar una medida instantánea de la profundidad de la huella. 2.2.3.- Ensayos de dureza dinámicos 5
  6. 6. 2.2.4.- ENSAYO DE TRACCIÓN (UNE 7-474) 2.2.4.1.- MÁQUINA DE ENSAYO Una probeta con forma y dimensiones normalizadas según el material que sea, es sometida a un esfuerzo de tracción (σ) en la dirección de su eje por una máquina que registra el esfuerzo aplicado y el alargamiento (ε) producido en la probeta hasta que esta se rompe. En los ensayos de tracción es preciso tener en cuenta la temperatura, ya que, los metales modifican sus dimensiones con ella. La probeta indicada en la figura es la más usada. 6
  7. 7. 2.2.4.2.- Estudio de un ensayo de tracción 2.2.4.2.1.- Curvas de tracción y fractura para diferentes materiales 2.2.4.3.- TENSIÓN UNITARIA (σ) 2.2.4.4.- ALARGAMIENTO UNITARIO (ε) Representa el esfuerzo que soporta el material por unidad de sección. Representa el cociente entre el incremento de longitud de la probeta, como consecuencia del esfuerzo a la que la sometemos, y la longitud inicial. 7
  8. 8. 2.2.4.5.- MÓDULO DE ELASTICIDAD o MÓDULO DE YOUNG 2.2.4.5.1.- LEY DE HOOKE Representa el cociente entre la tensión unitaria y el Las deformaciones (ε) producidas en un elemento alargamiento unitario. resistente son proporcionales a las tensiones (σ) El módulo de Young es característico de cada que las producen, dentro del comportamiento material. elástico del material. En el ensayo de tracción, el valor de la tg α se conoce como módulo elástico o módulo de Young (E), que representa la pendiente de la curva tensión-deformación en la región elástica. 2.2.4.5.2.- VALORES DE MATERIALES 2.2.4.5.- Diagrama de esfuerzos y deformaciones Del diagrama obtenido en el ensayo de tracción se puede determinar el limite elástico, resistencia a la rotura, capacidad de alargamiento y procesos de estricción. 8
  9. 9. 2.2.5.- ENSAYO DE RESILIENCIA 2.2.6.- ENSAYO FATIGA El más característico es el ensayo Charpy . La fatiga aparece en piezas que están sometidas a esfuerzos variables en magnitud y sentido que se repiten con cierta frecuencia. Este fenómeno puede provocar que las piezas rompan con cargas En este ensayo se utiliza una probeta de sección inferiores a las de rotura, incluso cuando se trabaja por debajo cuadrada provista de una entalladura que es del límite elástico, siempre que las cargas actúen durante un tiempo sometida a la acción de una carga de ruptura por suficiente. medio de un martillo que se desplaza en una trayectoria circular. Para que la rotura no tenga lugar, con independencia del número de ciclos, es necesario que la diferencia entre la carga máxima y la mínima sea inferior a un determinado valor, llamado límite de fatiga. Los ensayos de fatiga más habituales son los de flexión rotativa y torsión. En el proceso de fatiga se distinguen tres fases esenciales: una de incubación a partir de la fisura interna, otra de maduración progresiva y la última, instantánea, es la rotura efectiva. RESUMEN DE LOS DATOS DE INTERÉS 3.- TRATAMIENTOS DE LOS MATERIALES DE LOS ENSAYOS Tienen por finalidad modificar las características mecánicas de los metales. Tratamientos térmicos: Son procesos técnicos que, mediante calentamientos y enfriamientos, producen cambios en las propiedades mecánicas de los materiales, es decir, aumentan la resistencia a la tracción y la dureza, sin alterar su composición química. Tratamientos termoquímicos: Son procesos técnicos que, mediante calentamientos, enfriamientos y cambios en la composición química de los materiales, provocan un aumento de la resistencia y la dureza de las superficie exterior de las piezas, manteniendo el núcleo de las mismas con las propiedades iniciales. Tratamientos mecánicos: Son procesos técnicos que, mediante solicitaciones mecánicas, producen un cambio en el material sin alterar su composición química. Cuando el proceso se realiza en caliente recibe el nombre de forja. Todos ellos no deben alterar la composición química de manera notable ya que de lo contrario dejarían de ser tratamientos para convertirse en otros procesos. 9
  10. 10. 3.1.- TRATAMIENTOS TÉRMICOS 3.1.1.- Referencia de las temperaturas Consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento más o Las referencias de las temperaturas son las líneas de transformación de menos rápido a los que se somete a los materiales con objeto de los constituyentes estables en el diagrama Fe-C. (perlita, ferrita y cementita) conseguir cambios en la estructura cristalina (fundamentalmente el tamaño de grano) sin que la composición química resulte modificada. Existen fundamentalmente cuatro tratamientos térmicos Temple Revenido Normalizado Recocido La finalidad de los tratamientos térmicos, en general, es: Alcanzar máxima dureza y resistencia. Disminuir la acritud (Estado en el que se encuentra un material cuando ha perdido su ductilidad y maleabilidad) de los trabajos en frío. Eliminar tensiones internas, debido a las deformaciones de la red atómica. Crear estructuras internas homogéneas. 3.1.3.- COMPONENTES EN FUNCION DE LA 3.1.2.- FUNDAMENTO DE LOS TRATAMIENTOS VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO El fundamento es obtener constituyentes metaestables, sometiendo la austenita a un enfriamiento más rápido que el recogido en el diagrama Fe-C. La velocidad de los constituyentes estables del diagrama Fe-C es de 50ºC/seg. Los constituyentes metaestables se obtienen por enfriamiento a velocidades superiores a 50ºC/seg. 10
  11. 11. 3.1.4.- ESTUDIO DEL DIAGRAMA TTT 3.1.5.- TEMPLE Las curvas Tiempo-Temperatura-Transformación son diagramas que Es un tratamiento típico de los aceros. representan el tiempo necesario a cualquier temperatura para que se inicie y termine una transformación de fase. También se suelen conocer OBJETIVOS: como curvas de las S, por su semejanza con esta letra. Aumentar la resistencia a tracción, dureza y elasticidad de los aceros. Disminuir plasticidad, tenacidad y alargamiento. Su forma de interpretación es: Modificar: Por encima de la temperatura A1 de - Propiedades físicas: aumento del magnetismo y la resistencia eléctrica. austenización toda la estructura es austenita - Propiedades químicas: aumento de la resistencia a la corrosión. Ps, indica el inicio de la transformación a perlita. Pf, el final. Esto sucede para enfriamientos lentos, por ejemplo dejando apagado el horno y esperando CONSISTE EN: a que se enfríe (velocidad V1 de la gráfica). calentarlos hasta una temperatura superior a la de austenización, seguido Bs, indica el inicio de la transformación a bainita. de un enfriamiento lo suficientemente rápido para obtener una estructura Bf, el final. Sucede con velocidades de enfriamiento martensítica. Para conseguir un mejor temple se agita el fluido no lo bastante rápidas como para dar lugar al refrigerante. temple. Si las velocidades de enfriamiento son rápidas se forma la martensita. Esa velocidad debe ser mayor que v3 y marca dos zonas, la de inicio de la transformación a martensita, Ms y la de final de la transformación Mf. El temple sucede siempre que la velocidad de enfriamiento sea lo suficientemente rápida para no entrar en la zona de las S, debiendo cortar a la línea de Ms. 3.1.5.1.- MEDIOS DE ENFRIAMIENTO 3.1.6.- REVENIDO Agua: Es un tratamiento complementario al temple. – Medio rápido y potente. Temple muy fuerte. – La temperatura del agua menor de 30 ºC OBJETIVO: – Las piezas deben agitarse dentro del agua para impedir Eliminar tensiones internas producidas que el vapor producido haga de aislante retrasando el durante el temple; mejora la tenacidad, enfriamiento. Para enfriar aceros al carbono. aunque se reduce la dureza. CONSISTE EN: Aceite mineral: Calentar las piezas previamente templadas a – Más lento que el agua. una temperatura inferior a la de – Para temples suaves y uniformes. austenización, para lograr que la martensita se transforme en una estructura más estable. El proceso termina con un enfriamiento Metales y sales fundidas: relativamente rápido. – Para enfriamientos isotérmicos. Los metales fundidos más usados: Pb, Hg, Pb-Sn. 11
  12. 12. 3.1.7.- NORMALIZADO 3.1.8.- RECOCIDO Se denomina normalizado por que se entiende que con Los tipos de recocidos son varios y vienen determinados por la este tratamiento los aceros obtienen sus propiedades temperatura máxima de calentamiento. normales. Se utiliza en piezas que: – Recocido de regeneración han sufrido deformaciones en caliente, en frío – Recocido globular – Recocido de ablandamiento han tenido enfriamientos irregulares o – Recocido de homogenización sobrecalentamientos – Recocido contra la acritud se les quiere eliminar un tratamiento térmico previo. – Recocido isotérmico. OBJETIVO: OBJETIVOS: reducir tensiones internas provocadas por las causas eliminar tensiones del temple anteriores, así como una unificación del tamaño de grano. aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad conseguir una microestructura específica. CONSISTE EN: calentar el acero 50 grados por encima de la temperatura CONSISTE EN: de austenización seguido de un enfriamiento al aire. Calentar el material hasta una temperatura determinada y La velocidad de enfriamiento no puede ser elevada mantenerlo a dicha temperatura durante un tiempo previsto y evitando la formación de martensita y confiriendo al posteriormente enfriarlo lentamente. acero una estructura perlítica y ferrita o cementita de grano fino. 3.2.- TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS 3.3.- TRATAMIENTOS MECÁNICOS Los procedimientos más habituales son: Cementación- Añadir carbono a la superficie. OBJETIVOS: Nitruración- Horno con atmosfera de amoniaco. Cianuración- Horno con atmósfera mezcla de carbono y nitrógeno. Afinado del grano Sulfinización- Añadir una capa superficial de azufre, nitrógeno y carbono. Eliminación de defectos interiores Formación de fibras por cambio de OBJETIVO: orientación por deformación. Obtener piezas muy duras superficialmente, capaces de resistir desgastes, y más blandas en el centro, lo que les permite ser más CONSISTE EN: tenaces. Calentar una pieza y someterla a esfuerzos continuados de compresión. El CONSISTE EN: enfriamiento se realiza al aire siendo 1.- Meter la pieza en un horno con atmósfera controlada. mejor con calor residual. 2.- Calentar hasta la temperatura deseada. 3.- Mantener a temperatura el tiempo necesario para que se produzca una difusión atómica en la superficie a una profundidad. 4.- Enfriar. 12
  13. 13. 4.- DETERIORO DE LOS MATERIALES 4.1.- CORROSIÓN ELECTROQUÍMICA La interacción entre un material y el ambiente provoca en La oxidación es un proceso en el que los átomo metálicos muchos casos la pérdida o deterioro de las propiedades físicas pierden electrones. El metal se convierte en un ion con del material. cargas positivas electrones de valencia. La zona donde se produce la oxidación se llama ánodo. Estos procesos de deterioro son diferentes según se trate de materiales metálicos, polímeros o cerámicos. El proceso de deterioro que se produce en los metales recibe el nombre de La reacción inversa es la de reducción y la zona se llama cátodo. corrosión y oxidación. La corrosión electroquímica se caracteriza por la formación de pilas galvánicas en las que el metal actúa como ánodo y por lo tanto se disuelve. Este tipo de corrosión exige la presencia de medios electrolíticos, uniones eléctricas y la presencia de un cátodo. 4.1.1.- PILAS ELECTROQUÍMICAS 4.1.1.1.- PILA ELECTROQUÍMICA DE HIERRO Y COBRE Tenemos dos metales diferentes inmersos en un electrolito y unidos eléctricamente, haciendo que uno de ellos funcione como ánodo y el otro como cátodo. FUNCIONAMIENTO: El ánodo cede electrones al cátodo, por lo tanto algunos átomos del ánodo se ionizan con carga positiva disminuyendo de tamaño. Si este ion se encuentra en la superficie del ánodo podrá abandonarlo y dirigirse, a través del electrolito, hacia el cátodo que se encuentra cargado negativamente gracias a los electrones que le cedió el ánodo. CONSECUENCIAS: El ánodo reduce su tamaño El cátodo puede aumentar o quedarse igual. El ion al juntarse con el electrón puede: • depositarse sobre el cátodo • precipitar al fondo de la pila • combinarse con elementos del electrolito formando un gas que saldría de la pila. 13
  14. 14. 4.1.2.- PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN 4.2.- OXIDACIÓN También llamada corrosión seca, la oxidación se refiere a la Impedir la formación de pilas galvánicas, utilizando aislantes combinación de un metal con el oxigeno del aire: eléctricos y seleccionando bien los materiales. Unión de tuberías de acero con latón. Tratar siempre que el área del ánodo sea mayor que la del cátodo. Una arandela de cobre sobre una chapa de acero toma pocos electrones de la chapa siendo la corrosión más lenta El óxido que aparece en la superficie de los metales puede ser de tres tipos dependiendo del tamaño Diseñar recipientes para contener líquidos cerrados y respecto del cristal del metal: procurar que no se acumule Menor- la capa de óxido es poroso por lo que se líquido estancado. puede seguir oxidando Depósitos con fondo cónico o esférico Igual- la capa de óxido es muy adherente e impermeable por lo que protege al metal Evitar hendiduras o grietas entre los materiales armados o unidos. Mayor- inicialmente es protectora pero al crecer se Unir las piezas mediante soldadura. resquebraja dejado zonas expuestas y manteniéndose la oxidación Inhibidores 4.3.- Medios de protección Consiste en interrumpir o reducir el paso de iones desde el ánodo al cátodo; para ello, añadimos al electrolito productos químicos que se depositan en la superficie del ánodo o cátodo impidiendo o reduciendo la Todos los medios de protección van destinados a evitar alguna de las causas que provocan la oxidación y corrosión. Entre las más utilizadas salida o llegada de los iones, produciendo una polarización por destacamos: concentración o resistencia. Por ejemplo, las sales de cromo realizan esta función en los radiadores de los coches. Recubrimientos Se utilizan para aislar las regiones del cátodo y del ánodo. Estos Protección por selección de materiales aislantes pueden ser de diferente tipo con una acción más o menos No todos los metales tienen el mismo comportamiento frente a la corrosión. prolongada en el tiempo: Hay ciertos metales como el cromo, níquel, etc. que son muy resistentes a la corto plazo- grasas o aceites que se eliminan con facilidad corrosión atmosférica y a la acción de muchos ácidos. El empleo de estos medio plazo- pinturas o recubrimientos cerámicos metales en estado puro está limitado por sus propias cualidades mecánicas y largo plazo- recubrir metales con un alto grado de corrosión con precio. otros que tengan un grado de corrosión menor, por ejemplo el acero Se pueden conseguir aleaciones inoxidables si introducimos pequeñas cantidades de estos metales. galvanizado que consiste en depositar Zn o Sn sobre la superficie del acero. Pasivadores (protección anódica) Se dice que un metal tiene pasividad natural cuando al oxidarse se forma Protección catódica una fina capa de óxido que impide la corrosión del mismo, como ocurre con Consiste en forzar al metal a comportarse como el aluminio, el cobre, etc. Este mismo efecto puede conseguirse de forma un cátodo suministrándole electrones. Para ello artificial. utilizamos un ánodo de sacrificio, el cual se Un ejemplo de pasivador es en forma de impregnación como ocurre con el minio (Pb304) corroe, ya que aporta electrones al metal a proteger. Los materiales del ánodo de sacrificio son el cinc o el magnesio. 14

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