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TEMA PARA LA MATERIA DE INGENIERÍA DE MATERIALES...t/t

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CIENCIA DE LOS MATERIALES CIENCIA DE LOS MATERIALES Presentation Transcript

  • CAPITULO IPROPIEDADES DE LOS MATERIALESPROFESOR: QBA MIGUEL ÁNGEL CASTRO RAMÍREZ
  • 1. GENERALIDADES. MATERIAL. Es todo aquello de lo que están hechas las cosas. MATERIA. Sustancia, extensible, divisible, e impenetrable, susceptible de toda clase de formas y tamaños. A la materia también se lo puede definir, como “ la que es la causa permanente de todas nuestras sensaciones ".
  • 1.2 CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES. CIENCIA DE LOS INGENIERIA DE LOS MATERIALES MATERIALESBúsqueda de conocimientos Uso y aplicación de básicos sobre: estructura conocimientos básicos de los interna, propiedades y materiales, para convertirlosprocesado de los materiales. en productos necesarios para la sociedad. CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES Fig. 1.1 RELACION ENTRE CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES
  • 1.3 EVOLUCION EN EL USO DE MATERIALES. Los materiales modernos en su mayoría sontan complejos, que se han aprendido a usarmas por arte que por ciencia. Para llegar a estepunto, los materiales han tenido que pasar porun largo proceso evolutivo, tanto en el uso comoen la obtención de los mismos, a continuaciónmostraremos un diagrama secuencial del uso ydescubrimiento de los materiales.
  • FIG. 1.2 EVOLUCION DE LOS MATERIALES EN EL TIEMPO
  • 1.4 DISEÑO DEL PRODUCTO Y SELECCION DE MATERIALES. La relación que existe entre el diseño de unproducto y la selección de materiales es tanestrecha, que esta se concentra en lasinteracciones entre el diseño del producto, delproceso de fabricación y su influencia en laselección de materiales.
  • DISEÑO DEL DISEÑO DEL PROCESO PRODUCTO DISEÑO DEL EQUIPO SELECCION DEL MATERIALFig. 1.3 RELACION ENTRE DISEÑO DEL PRODUCTO DISEÑO DEL PROCESO Y SELECCIÓN DEL MATERIAL
  • 1.5 TENDENCIA DE LA PRODUCCION DEMATERIALES EN EL MUNDO En el cuadro de la Fig.1.4, podemos observarque la tendencia mundial es usar en mayorescantidades materiales como: el concreto, madera,ladrillos, acero; los cuales se usan masivamente,debido a sus bajos costos de producción, encomparación con otros materiales como lasaleaciones, de aluminio, titanio, aceros especiales,fibras poliméricas especiales, como la fibra decarbono, Kevlar, y en general los materialescompuestos cuyos costos de producción sonelevados y su producción es menor.
  • Fig. 1.4 PRODUCCION ANUAL EN TONELADAS METRICAS VS COSTO DE PRODUCCION POR TN.
  • 2. TIPOS DE MATERIALES Desde el punto de vista de ingeniería a los materiales los podemos clasificar de la siguiente manera:2.1 MATERIALES METALICOS. Son materiales entre cuyas características principales tenemos:a) Tienen estructura cristalina en el estado sólido, la que define otras propiedades, como la cohesión, elasticidad, plasticidad, y estas a su vez la ductilidad y maleabilidad.b) Son buenos conductores de la electricidad y el calor.c) Poseen brillo metálico.
  • d) En estado natural la mayoría de ellos se encuentran formando óxidos, sulfatos, etc., en las menas que se extraen de los asientos mineros, por lo cual estos materiales tienen gran tendencia de regresar a su estado natural, a través de la corrosión.e) También encontramos en la naturaleza algunos metales en estado puro, tales como el oro, plata, platino, cobre, que son los llamados metales nobles, una de cuyas propiedades es de ser resistentes a la corrosión.f) A temperatura normal o ambiente se encuentran en estado sólido a excepción del mercurio. Entre los principales metales de uso industrial tenemos el hierro, aluminio, magnesio, cobalto, zinc, cobre, plomo, oro, plata, estaño, níquel.
  • 1.5 MOTOR AUTOMOTRIZ – APLICACIONES DE METALES Y SUS ALEACIONES
  • 1.6 MOTOR DE AVION F22 RAPTOR – APLICACIÓN DE ALEACIONES METALICAS
  • 1.7 AVION MILITAR F22 RAPTOR – APLICAIONES DE ALEACIONES METALICAS
  • 2.2 MATERIALES CERAMICOS. Son aquellos materiales cuya característicaprincipales son : a) Resistentes a altas temperaturas. b) Algunos de ellos poseen estructura cristalina. c) Son frágiles y tienen elevada dureza. d) Malos conductores de la corriente y el calor. e) Tienen bajo peso, reducida fricción, f) Tienen alta resistencia a cargas estáticas. g) Resistentes al calor y la humedad, por lo cualson usados para fabricar aislantes eléctricos,materiales compuestos y aislantes térmicos, h) Resistentes a la corrosión.
  • Generalmente los materiales cerámicos deimportancia están formados por compuestosquímicos de al menos un elemento metálico y unode los cinco elementos no metálicos siguientes :Carbono, Oxigeno, Nitrógeno, Azufre, Fósforo;además de otro elemento muy importante que es elSilicio. Actualmente se están usando algunosmateriales cerámicos como materialesestructurales, tales como él: Carburo de Silicioque es usado en la fabricación de rotores, álabesde turbina y toberas de flujo; Nitruro de Silicio enrotores de turbina; Silicato de Aluminio en discosdel generador (proyecto de General Motors –Allison Gas Turbina).
  • 1.8 CERAMICA UTILITARIADIFERENTES CULTURAS
  • 1.9 CERAMICA UTILITARIA – DIFERENTES CULTURAS
  • 1.10 MATERIALES CERAMICOS TRADICIONALES UTILIZADOS EN CONSTRUCCION CIVIL.
  • 1.11 MATERIALES CERAMICOS DE INGENIERIA – DISCOS DE FRENO DE CARBURO DE SILICIO
  • 2.3 MATERIALES POLIMERICOS.Son aquellos materiales entre cuyas características principales tenemos :a) Son materiales malos conductores de la electricidad.b) Tienen alta resistencia a la humedad y la corrosión.c) Estos son llamados el impacto tecnológico moderno sobre la vida diaria, debido a su gran desarrollo y a la diversidad de aplicaciones, en todos los ámbitos tecnológicos, haciendo más cómodas y económicas sus aplicaciones.
  • d) Son materiales mayormente artificiales, dentro de los cuales los mas conocidos son los plásticos y elastómeros; que están formados por una cadena larga de una molécula básica llamada monómero o “Mer”. Por ejemplo el Polietileno, el cual es una cadena larga de moléculas de etileno n (C2 H4), al cual para obtener el Acrílico se le adiciona O2, para el Nylon se adiciona N, para las siliconas Si; otros polímeros de aplicaciones muy difundidas, tenemos : El Kevlar, la Polidietercetona (usado como base de circuitos impresos), el teflón, el benceno, el poliuretano, etc., estos materiales son usados como fibras o partículas en materiales compuestos.
  • MATERIALES POLIMERICOS MAS USADOS.a)Etilen vinil acetato (EVA).b)Polietileno de baja densidad (LDPE).c) Polietileno de alta densidad (HDPE).d)Polipropileno (PP).e)Poliestireno (PS).f) Policloruro de vinilo flexible (FPVC).g)Policloruro de vinilo rígido (RPVC).h)Poliuretano.i) Melamina.j) Resinas epóxicas.k) Resinas alquídicas.l) Nylon.
  • 1.12 MATERIAL POLIMERICO NATURAL – JEBE O SHIRINGA
  • 1.13 MATERIAL POLIMERICO ARTIFICIAL - PLASTICO
  • 1.14 MATERIAL POLIMERICO ARTIFICIAL – DE INGENIERIA / FIBRA POLIESTER
  • 2.4 MATERIALES SEMICONDUCTORES. Sus características principales son : a) Son materiales que no son buenos conductoresde la electricidad pero tampoco son buenosaislantes. b) El desarrollo de estos materiales han permitidoque la electrónica en los últimos años hayaalcanzado un avance espectacular, en lastecnologías de punta, que ha permitido laconfección de complejos circuitos en áreas muyreducidas, del orden de los milímetros ynanómetros (espesor de aislantes de 2 diámetrosatómicos).
  • c) Algunos de estos materiales a condiciones de muy bajas temperaturas, se convierten en materiales superconductores de la corriente. Entre estos materiales tenemos por ejemplo: el Arseniuro de galio usado como rectificador de corriente a altas temperaturas y como material para cristales láser; el Sulfuro de cadmio usado en celdas solares, el Oxido de Zinc como fósforo para pantallas de televisores. Un material semiconductor muy importante es el Silicio puro, el cual es modificado por diversos caminos para cambiar sus propiedades eléctricas y electrónicas el cual es usado intensivamente en muchas aplicaciones de ingeniería.
  • 1.15 MATERIALES SEMICONDUCTORES – COMPONENETES ELECTRONICOS
  • 1.16 MATERIALES SEMICONDUCTORES – COMPONENTES ELECTRONICOS
  • 1.15 MATERIALES SEMICONDUCTORES – ENSAMBLE DE UNA TARJETA ELECTRONICA
  • 1.15 TARTJETA ELECTRONICA CON MATERIALES POLIMERICOS Y SEMICONDUCTORES
  • 2.5 MATERIALES COMPUESTOS COMPOSITOS. En ingeniería también se conceptúa comomateriales compuestos a dos o más materialesdistintos que difieren en forma y constitución química,insolubles entre si, que se combinan, para formar otrocuyas propiedades sean superiores o en algún modomas importantes que la de sus componentes. Entreestos materiales podemos mencionar los siguientes:mampostería, maderas reforzadas, concreto armado,fibras de carbono con resina epóxica (fabricación deflaps y alerones, en aeronaves), fibra de boro conresina epóxica (usado en fuselaje del avión invisible),fibras de vidrio, kevlar, nylon, poliéster + pegamentoo resina epóxica, usados en aeronáutica civil y militar.
  • Estas mismas fibras, pueden ser usadas conalmas metálicas de aleaciones de Al, Mg, Ti, paraformar estructuras tipo sándwich. Estos materiales, también son usados enartículos deportivos de poco peso y gran resistenciamecánica, como raquetas de tenis, palos de golf;tablas de surfing, motonaves, etc., entre otrosmateriales se usan también el teflón y lámina deacero en menaje de cocina, fibra de vidrio y almasmetálicas en partes automotrices, fibras naturalescombinadas con fibras sintéticas en la industria delvestir; mezclas asfálticas, y muchos otros mas. Las propiedades de estos son muy variadasdependiendo de los materiales que intervienen parasu conformación.
  • 3. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. 3.1 PROPIEDADES MECANICAS. Las tres propiedades mecánicas fundamentales de los materiales son: cohesión, elasticidad, plasticidad. COHESION. Es la resistencia que oponen los átomos a separarse unos de otros. La cohesión se puede valorar mediante los ensayos de dureza. ELASTICIDAD. Es la capacidad que tienen los materiales de recobrar su forma primitiva, cuando cesa la causa que los deforma.
  • PLASTICIDAD. Es la capacidad quetienen los materiales de adquirirdeformaciones permanentes, una vez quecesa la causa que la origina. Si estacapacidad para la deformación lo esespecialmente para el adelgazamiento enforma de láminas delgadas, es llamadamaleabilidad y si es en forma de hilos muydelgados se llama ductilidad. Estaspropiedades son valoradas mediante elensayo de tracción.
  • 3.2 PROPIEDADES TERMICAS. Relacionadas con la capacidad que tienen losmateriales para poder trasmitir el calor, las quepueden ser valoradas por: el coeficiente deconductividad calórica, calor específico, capacidadcalorífica, coeficiente de dilatación (lineal,superficial, cúbica), punto de fusión, punto deebullición, temperatura de cambio de fase, calor es.
  • 3.3 PROPIEDADES MAGNETICAS.Relacionadas con la capacidad que tienen losmateriales para poder magnetizarse o imantarse,creando campos magnéticos, las mismas quepueden ser medibles a través de: Densidad de flujo(inducción magnética), permeabilidad magnética,susceptibilidad magnética, intensidad de campomagnético, envejecimiento magnético..
  • Según su capacidad de magnetización losmateriales pueden ser:Ferromagnéticos: Entre los cuales tenemos, el Fe,Ni, Co, que son materiales que poseen una grancapacidad de magnetización o imantación.Paramagnéticos: Entre los cuales tenemos, el O2,Pt, Na, Al, Ca, Ti; que son materiales quepresentan capacidad de magnetización débil.Diamagnéticos: Son materiales que repelen laslíneas de fuerza magnética y no se magnetizan,como por ejemplo: Cd, Cu, Ag, Sn, Zn, la madera,polímeros, cerámicos
  • 3.4 PROPIEDADES ELECTRICAS. Las propiedades eléctricas de los materiales sonuna consecuencia de su estructura electrónica,haciendo que estos sean mayores o menoresconductores de la corriente eléctrica. Generalmente los materiales buenos conductoresde calor son buenos conductores de la corrienteeléctrica. Las propiedades eléctricas de losmateriales pueden medirse por: la conductividad,resistencia, capacitancia, inductancia etc. En losmateriales metálicos se observa que la resistenciaeléctrica aumenta al aumentar la temperatura.
  • 3.5 PROPIEDADES QUIMICAS. Dadas en relación, a la capacidad que tienenlos materiales de combinarse unos con otros(relación estequiométrica) para formar nuevoscompuestos, tales como: óxidos, bases, ácidos,sales, sulfatos, entre otros; las propiedades químicasmás importantes de los materiales tenemos : Númeroatómico, peso atómico, número de valencia,densidad, gravedad específica, peso molecular,molaridad, normalidad, molalidad, entre otras.
  • 3.6 PROPIEDADES OPTICAS. Capacidad de los materiales para absorber,refractar, reflejar, trasmitir la luz, las cualespueden ser medibles por: la transmitancia,transparencia, índice de refracción, índice dereflexión, índice de absorción, grado de opacidadentre otros.
  • 4. ENSAYOS. Son una serie de procedimientosnormalizados, que tienen por objeto, conocer ocomprobar características y propiedades de losmateriales, descubrir defectos en las piezasfabricadas o fallas en las piezas que han trabajadoun tiempo determinado. 4.1 CLASIFICACION DE LOS ENSAYOS. Desde el punto de vista de Ingeniería, a losensayos los podemos clasificar de la siguientemanera:
  • A.- ENSAYOS DE CARACTERISTICAS. 1. De composición:  Composición química.  Fotocolorimétricos.  Espectográficos.  Chispas. 2. De estructuras:  Cristalina.  Micrográfica (grano).  Macrogáfica (fibra). 3. Análisis térmico:  Temperaturas de fusión.  Temperaturas de transformación. 4. Constitución:  Metalográficos.
  • B.- ENSAYOS DE PROPIEDADES MECANICAS (DESTRUCTIVOS).1. Estáticos:  Tracción en frío y caliente.  Fluencia.  Compresión.  Pandeo.  Flexión estática.  Torsión.  Dureza.2. Dinámicos:  Resistencia al choque.  Desgaste.  Fatiga.
  • C.- ENSAYOS DE CONFORMACION.  Doblado.  Embutición.  Forja.  Corte.  Punzonado.D.- ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (END O PND)  Magnéticos.  Líquidos penetrantes.  Electromagnéticos.  Por corriente de foucalt.  Sónicos.  Ultrasónicos.  Macroscópicos.  Por rayos "x “  Por rayos Gamma.
  • 4.1 PRINCIPALES ENSAYOS MECANICOS. 4.1.1 DUREZA. Se define como la resistencia del material auna deformación permanente en su superficie, bajola acción de una carga determinada, o como laresistencia que ofrece un material a ser rayado,penetrado, erosionado, desgastado, altura de rebote,por otro que actúa en su superficie. La dureza puededeterminarse tomando como base variosprocedimientos de resultados comparables.
  • CLASIFICACION DE LOS ENSAYOS DE DUREZA1. Ensayos por rayado. a) Ensayo Marten (escala de Mohs). b)Limado.2. Ensayos por identación estática. a) Ensayo Brimell. b) Ensayos Rockwell. b.1 Normal. b.2 Superficial c) Ensayo Vickers. d) Ensayo Knoop.3. Ensayo dinámico por impacto o rebote. a) Ensayo Shore (escleroscopio).
  • 4. Ensayo por cepillado o rasurado (Plowing Test). Ensayo Bierbaum. En el cual un elemento completamente paralelo (por ejemplo un diamante) se mueve, comprimiendo a través de la superficie del metal, bajo condiciones controladas de carga y conformación, en el cual la dureza es medida por el ancho de la ranura efectuada.5. Ensayo por amortiguamiento (Camping Test). Ensayo Herbert. En el cual la amplitud de un péndulo, que tiene un gran pivote, queda disminuido al chocar en la superficie del metal ensayado, esta disminución da un valor para la dureza del mismo.
  • 6. Ensayo por corte (Cutting Test). En el cual una herramienta cortante de unaforma dada, es accionada para remover una viruta dedimensiones estándar, de la superficie del materialensayado.7. Ensayo por abrasión. En el cual la pieza a ensayar es cargada odeslizada en la dirección opuesta del giro de un discorotatorio, entonces la razón o el coeficiente de desgastemide la dureza del material ensayado.8. Ensayo por erosión. En el cual la arena u otro abrasivo granular, esimpactado sobre la superficie del metal o materialensayado bajo condiciones estándar, entonces elmaterial perdido en un tiempo dado, es la medida de ladureza (para medir durezas de las ruedas amoladoras).
  • A. DUREZA POR RAYADO. Basado en la escala de Mohs, bajo el principiode la precedencia de rayado de los materiales, unode los ensayos por rayado muy conocido es el deMarten. MOHS en 1822 estableció una escala dedureza, hoy todavía aplicable en mineralogía, cuyoprincipio de medición se basa en el rayado demateriales, en cuya escala la dureza con el número1 corresponde al material más suave (talco) y el 10al material mas duro (diamante):
  • Nº DUREZA MATERIAL 1 Talco 2 Sal gema 3 Calcita 4 Flourita 5 Apatita 6 Feldespato 7 Cuarzo 8 Topacio 9 Corindón 10 Diamante TABLA Nº 1.1 ESCALA DE MOSH
  • B. DUREZA A LA PENETRACION. La determinación de la Dureza, se hacegeneralmente por los ensayos de penetración, queconsiste en dejar una huella en el material que seensaya, aplicando sobre el un penetrador con unapresión determinada y hallando el índice de durezaen función de la presión ejercida y la profundidad odiámetro de la huella dejada en el material ensayado. Los métodos mas usados son los de Brinell,Rockwell y Vickers.
  • B.1 METODO BRINNELL. (ING. SUECO – 1900) Este método lo ideó el ingeniero sueco Brinellen el año 1900. Consiste en comprimir una bola deacero templado, de un diámetro determinado, sobre elmaterial a ensayar, por medio de una carga y duranteun tiempo determinado. Se mide el diámetro de la huella y se encuentrala dureza del material por la relación entre la cargaaplicada y el área del casquete de la huella, puesevidentemente y dentro de ciertos límites, esta áreaserá tanto mayor cuanto menos duro sea el material.De lo cual se obtienen las siguientes relaciones quepermiten calcular la dureza Brinell.
  • P (kg) HB = 2 S (mm ) P HB = πD (D − D 2 − d 2 ) 2 D = Diámetro de la bola. d = Diámetro de la huella. f = Pr ofundidad de penetracion de la bola.Fig. 1.4 PENETRADOR BRINELL P HB = πDf
  • Respecto a las cargas, tienen que serproporcionales al cuadrado del diámetro, para quelas huellas obtenidas sean semejantes y losresultados comparables. Es decir: P = K x D2 Hierro y aceros..................... K = 30 Cobre, bronce y latones........ K = 10 Aleaciones ligeras................. K = 5 Estaño y plomo..................... K = 2,5
  • Respecto a los tiempos que debe durar el ensayo,oscilan entre 30 segundos para el acero y tresminutos, para materiales muy blandos ver tabla MATERIAL TIEMPO Hierros y aceros 10 a 30 segundos Cobre, bronces y latones 30 segundos Aleaciones ligeras 60 a 120 segundos Estaño y plomo 120 segundos Materiales muy blandos >120 segundos TABLA Nº 1.3 TIEMPOS PARA EL ENSAYO BRINELL
  • Todo lo expuesto se resume en la tabla siguiente. Deeste cuadro son comparables todos los ensayosrealizados con cargas que utilicen el mismocoeficiente, aunque las bolas sean de diferentediámetro. O sea, los ensayos con carga de cadacolumna vertical y sus bolas correspondientes. Encambio, no darán resultados coincidentes losensayos con la misma bola, pero con diferentescargas (líneas horizontales).
  • ESPESOR DE Diámetro CONSTANTES DE ENSAYO K LA de la bola 30 10 5 2,5 1,25 PROBETA mm CARGAS EN Kg 30 D2 10 D2 5 D2 2,5 D2 1,25D2Superior a 6 mm 10 3000 1000 500 250 125De 6 a 3 mm 5 750 250 125 62,5 31,2Menor de 3 mm. 2,5 187,5 62,5 31,2 15,6 7,8 1,25 46,9 15,6 7,81 3,91 1,99 0,625 11,7 3,91 1,953 0,977 0,488 TABLA Nº 1.2 DIAMETRO DE LAS BOLAS Y PRESIONES EMPLEADAS - METODO BRINELL
  • La denominación o nomenclatura de los ensayos seefectúa mediante el siguiente símbolo: HB (D/P/T)En el que: D : diámetro de la bola en mm. P : la carga en Kg. T : el tiempo de duración del ensayo en seg.Así por ejemplo: HB (10/3000/30)
  • Fig. 1.4 DUROMETRO BRINELL
  • B.2 PRACTICA DE LOS ENSAYOS BRINELL. El aparato más elemental consiste de unaprensa, mediante la cual se aplica la cargacorrespondiente. Después, por medio de una reglagraduada o un microscopio provisto de un retículograduado, se mide el diámetro de la huella que labola ha dejado en el material, y mediante la fórmulao la tabla, se halla el número de Brinell. Si la huellaresulta ovalada, se toma la media de los diámetrosextremos. Al realizar el ensayo debe cuidarseespecialmente de lo siguiente:
  • 1. Que la superficie de la pieza esté limpia, sea perfectamente plana, normal al eje de aplicación de la carga y lo más homogénea posible.2. Que el espesor de la pieza sea por lo menos el doble del diámetro de la huella, o 10 veces la profundidad de la huella.3. Que la distancia del centro de la huella al borde de la pieza sea, por lo menos, cuatro veces el diámetro de la huella.4. Que la distancia entre dos huellas consecutivas sea cuando menos 2.5 el diámetro de la huella.
  • MATERIAL DUREZA BRINELLAcero de herramientas, templado 500Acero duro (0,80 % de carbono) 210Acero dulce (0,10 % de carbono) 110Bronce 100Latón 50Aluminio 25 a 30 TABLA Nº 1.4 DUREZA BRINELL DE ALGUNOS MATERIALES METALICOS
  • MATERIAL FACTOR Acero al carbono 0,36 Acero aleado 0,34 Cobre y latón 0,4 Bronce 0,23 TAB LA Nº 1.5 FACTORES PARA EL CALCULO DE LA RESISTENCIA A LA TRACCION PARTIENDO DEL NUMERO BRINELLTambién puede obtenerse aproximadamente el contenido de carbono,para ACEROS AL CARBONO, si se conoce la dureza Brinell,mediante la fórmula: HB − 80 % C= 141
  • B.2 METODO ROCKWELL (1924) El método Rockwell se basa también en laresistencia que oponen los materiales a serpenetrados; la dureza del material ser determina porla profundidad de la huella que deja el cuerpopenetrante . Los penetradores son: 1. Un diamante en forma de cono de 120º ± 1º, conla punta redondeada, con un radio de 0,2 ± 0,01 mm,que se denomina también penetrador Brale. 2. Bolas de 1/8"φ y 1/16" φ, aunque también, peromenos empleadas las de 1/2" φ y 1/4" φ. Se utilizan cargas de 60, 100 y 150 Kg, paramateriales gruesos y de 15, 30 y 45 para materialesdelgados.
  • ESCALA TIPO DE TIPO Y TAMAÑO CARGA CARGA ESCALA DEL COMPARADOR APLICACIONESDESIG- PRUEBA DEL PENETRADOR MENOR MAYORNACION EN Kg EN Kg COLOR COLOCACION A Normal Cono de Diamante 10 60 Negro Fuera Aceros nitrurados, flejes estirados en frío, hojas de afeitar,. Carburos metálicos (90 a 98) B Normal Bola de 1/16 “ 10 100 Rojo Dentro Aceros al carbono recocidos de bajo contenido de carbono. C Normal Cono de diamante 10 150 Negro Fuera Aceros duros. Con dureza superior a 100 HRB o 20 HRC D Normal Cono de diamante 10 100 Negro Fuera Aceros cementados. E Normal Bola de 1/8 “ 10 100 Rojo Dentro Metales blandos, como antifricción y piezas fundidas F Normal Bola de 1/16 “ 10 60 Rojo Dentro Bronce recocido G Normal Bola de 1/16 “ 10 150 Rojo Dentro Bronce fosforoso y otros metales. H Normal Bola de 1/8 “ 10 60 Rojo Dentro Metales blandos con poca homogeneidad, fundición de hierro. K Normal Bola de 1/8 “ 10 150 Rojo Dentro Metales duros con poca homogeneidad, fundición de hierro. L Normal Bola de ¼ “ 10 60 Rojo Dentro Metales duros con poca homogeneidad, fundición de hierro. M Normal Bola de ¼ “ 10 100 Rojo Dentro Metales duros con poca homogeneidad, fundición de hierro. P Normal Bola de ¼ “ 10 150 Rojo Dentro Metales duros con poca homogeneidad, fundición de hierro. R Normal Bola de ½ “ 10 60 Rojo Dentro Metales muy blandos. S Normal Bola de ½ “ 10 100 Rojo Dentro Metales muy blandos. V Normal Bola de ½ “ 10 150 Rojo Dentro Metales muy blandos. 15-N Superficial Cono de diamante 3 15 Rojo Dentro Aceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza. 30-N Superficial Cono de diamante 3 30 Rojo Dentro Aceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza. 45-N Superficial Cono de diamante 3 45 Rojo Dentro Aceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza. 15-T Superficial Bola de 1/16 “ 3 15 Rojo Dentro Bronce ,latón y acero blando 30-T Superficial Bola de 1/16 “ 3 30 Rojo Dentro Bronce ,latón y acero blando 45-T Superficial Bola de 1/16 “ 3 45 Rojo Dentro Bronce ,latón y acero blando TABLA Nº 1.6 ESCALAS DE DUREZAS ROCKWELL (APRAIZ)
  • Nº ROCKWELL A ROCKWELL C1 Angulo de la punta del diamante = 120º Angulo de la punta del diamante = 120 º2 Radio de redondeo de la punta del cono 0,2 mm. Radio de redondeo de la punta del cono 0,2 mm.3 Po Carga previa = 10 Kg Carga previa = 10 Kg4 P1 Carga adicional = 50 Kg Carga adicional = 140 Kg5 P Carga total = 60 Kg (P = Po + P1) Carga total = 150 Kg (P = Po + P1)6 Penetración con la carga previa (punto de partida de la Penetración con la carga previa (punto de partida de la medición) medición)7 Penetración total actuando la carga adicional. Penetración total actuando la carga adicional.8 f Penetración permanente después de quitar la carga Penetración permanente después de quitar la carga adicional adicional9 HRa Dureza Rockwell A = 100 - f Dureza Rockwell C = 100 - f ó HRc Fig. 1.6 ESQUEMA DE LOS ENSAYOS ROCKWELL A Y C
  • Nº ROCKWELL B1 D Diámetro de la bola2 Po Carga previa = 10 Kg3 P1 Carga adicional = 90 Kg4 P Carga total = 100 Kg (P = Po + P1)5 Penetración con la carga previa (punto de partida de la medición)6 Penetración total actuando la carga adicional.7 e Penetración permanente después de quitar la carga adicional8 HRb Dureza Rockwell B = 130 - f Fig. 1.7 ESQUEMA DEL ENSAYO ROCKWELL B
  • Fig. 1.4 DUROMETROS ROCKWELL
  • B.3 METODO VICKERS (HV). Se deriva del método Brinell, empleándoseactualmente, sobre todo en laboratorios y enparticular, para piezas delgadas y templadas, conespesores mínimos hasta de 0,2 mm. En el método Vickers se utiliza como penetradoruna punta piramidal de diamante, de base cuadraday un ángulo en el vértice entre caras, de 136º, conprecisión obligada de 20 segundos. La durezaVickers se determina en función a la media de la delas diagonales, medidas con un microscopio enmilésimas de milímetro. Si P es la carga aplicada y S la superficie de lahuella, la dureza Vickers será:
  • P HV = SLuego de deducir las relaciones geométricas de lahuella dejada por el penetrador en el material setiene finalmente la siguiente ecuación. P HV =1,854 2 dSin embargo no se hacen cálculos con la fórmulaanterior, sino por medio de gráficos o de tablas, enlas que se entra con la medida de la diagonal y dela carga, se obtiene directamente la dureza.
  • Fig. 1.8 EL ÁNGULO DE 136 º DE LA PUNTA PIRAMIDAL VICKERS ESTÁ ELEGIDA PARA QUE SEA LA HUELLA TANGENTE A LA DE LA BOLA BRINELL.
  • Respecto a las cargas son independientes dela dureza obtenida, pues la diagonal resultaráproporcional a la carga y para un mismo materialsaldrá la misma dureza con cualquier carga. Se utilizan cargas de 1 a 120 Kg. Siendo lamas utilizada la de 30 Kg. Respecto al tiempo quese ha de mantener la carga, oscila entre 10 y 30segundos, siendo él mas empleado 15 segundos. La dureza se expresa con las letras HV,seguida de dos cifras, una para la carga y la otrapara el tiempo. Por ejemplo, si la carga ha sido 30 Kg. durante15 segundos, se pone HV 30/15.
  • NORMAS PARA EL ENSAYO VICKERS.1. La superficie debe estar pulida para que los resultados sean válidos.2. Como regla general, el espesor de la probeta debe ser superior a 1,5 veces la diagonal de la huella ( d = 7t).3. En las probetas redondas debe aplicarse sobre el diamante una carga tan pequeña que la influencia de la curvatura (flecha) sobre la longitud de la diagonal sea inferior a 0,01mm.4. La longitud de la diagonal debe medirse con una precisión de 0,001 mm, para longitudes superiores de 0,5 mm es suficiente una precisión de 0,01 mm.
  • 5. El valor de la diagonal tomado debe ser la media de las 2 diagonales.6. Además, la dureza para cifras inferiores a 25 debe darse redondeadas a la décima y para cifras superiores, redondeadas en unidades.VENTAJAS DEL METODO VICKERS.1. Las huellas Vickers son comparables entre si, y las cifras de dureza obtenidas, independientes de la carga.2. Con el mismo penetrador puede medirse una amplia gama de materiales, desde muy blandos hasta muy duros, llegándose hasta 1150 Vickers, que equivaldrían aproximadamente a 780 Brinell.
  • 3. Puede medirse la dureza de piezas muy delgadas empleando cargas pequeñas, hasta espesores del orden de 0,05 mm.4. Puede medirse dureza superficial, dada la pequeña penetración del diamante, con cargas pequeñas, lo que permite comprobar, por ejemplo, el endurecimiento superficial de un material, después de ser rectificado con piedra de esmeril.5. La escala Vickers, es más detallada que la Rockwell, y así por ejemplo, entre HRc 60 y HRc 66, las durezas Vickers que corresponden son 765 y 960, o sea 32 unidades Vickers por cada unidad Rockwell.6. Como es preciso examinar la huella, puede comprobarse en cada medición el buen estado del diamante, lo que no ocurre en el Rockwell, que debe examinarse el diamante de vez en cuando.
  • Fig. 1.4 DUROMETRO VICKERS
  • B.5 DUREZA AL REBOTE METODO SHORE. Mediante este método la dureza se mide por laaltura que alcanza el rebote de un cuerpo al caerdesde una altura fija sobre la superficie del materialque se ensaya. La máquina o equipo usado paramedir esta dureza es el Esclerómetro o EscleroscopioShore; que consta de un martillo que pesa 1/12 deonza (2,36 gr), el cual es de acero y tiene formacilíndrica con punta de diamante redondeado. Laaltura de caída es de 10" (25,4cm), dividida en 140partes iguales. La pieza se fija al aparato y se aspira el martillo,haciendo el vacío con una pera de goma y una vezen la parte alta se deja caer. Al rebotar el martillo sequeda retenido en la parte más alta.
  • La ventaja de este durómetro es queprácticamente no produce huella en el materialensayado, por lo que se lo utiliza para medir durezasde piezas terminadas. Es por lo tanto uno de losensayos de medición de dureza no destructivo. FIG. 1.11 DUROMETRO SHORE
  • B.4. MICRODUREZAS Generalmente se entiende pormicrodureza cuando la identación se realiza concargas que no exceden a 1000 gr.,generalmente se realizan con cargas entre 100y 500 gr., aunque pueden usarse cargas maspequeñas aun, el término está relacionado puescon el tamaño de la carga de identación. Losmétodos más usados son:VICKERS : Europa.KNOOP : U.S.A.
  • APLICACIONES.a) Precisión en la medición de dureza en piezas pequeñísimas.b) Aplicación en puntas y alambres muy delgados.c) En la inspección de dureza de capas superficiales carburadas, nitruradas, carbonitruradas.d) Se puede medir la dureza en la sección y no en la profundidad de dichas capas endurecidas.e) Medición de dureza de microconstituyentes, de una aleación.f) Medición de durezas en superficies no deseables y descarburadas.g)Medición de durezas de capas superficiales de electrodeposición metálica, relleno metalizado o en piezas recuperadas por soldadura.
  • METODO KNOOP. Se emplea sólo en laboratorios para medirdurezas de láminas muy delgadas, incluso dedepósitos electrolíticos. El penetrador es de diamante, de froma piramidalde base forma rómbica y utiliza cargas de 0,25 a3,600 gramos, produciendo huellas rómbicas con lasdiagonales en la relación de 7 : 11 y la diagonalmenor sobre profundidad de penetración de 4.0
  • FIG. 1.10 ESQUEMA PENETRADOR KNOOP P HV =14,2 2 d Donde: P = Carga aplicada en Kg. l = d = Longitud de diagonal mayor en mm. b = Longitud de diagonal menor en mm. t = Profundidad de la huella en mm.
  • CAPITULO V DEFECTOS ESTRUCTURALES1. GENERALIDADES. No hay cristales perfectos debido a que hay varios tipos de imperfecciones cristalinas, que afectan a muchas de las propiedades físicas y mecánicas importantes de los metales y sus aleaciones; entre ellas, desde el punto de vista de ingeniería tenemos: capacidad de deformación en frío, conductividad eléctrica, resistencia mecánica, corrosión, velocidad de difusión, etc.
  • 2. CLASES DE DEFECTOS ESTRUCTURALES.Están clasificados de acuerdo a su geometría y forma, estos son:a)Defectos puntuales, de dimensión cero.b)Defectos de línea o de una dimensión (dislocación).c) Defectos de dos dimensiones, que incluyen superficies externas y bordes de grano interno.
  • 2.1. DEFECTOS PUNTUALES. Entre estos tenemos: A. VACANTES. Son agujeros dejados por la pérdida de átomos que se encontraban en una posición, estas se pueden producir durante el proceso de solidificación, por perturbaciones locales durante el crecimiento del cristal, o por reordenamiento atómico en el cristal, debido a la movilidad de los átomos. En los metales la concentración de huecos en equilibrio, raramente excede de 1 entre 10000.
  • B. INTERSTICIALES. Este defecto se produce, cuando un átomode la red ocupa un lugar intersticial, entre losátomos que lo rodean, en sitios atómicosnormales. Estos se pueden producir en laestructura cristalina por irradiación con partículasenergéticas.C. IMPUREZAS. Constituidas por átomos extraños a la redcristalina, los que pueden tener un diámetro mayoro menor que los de la red. Estos están presentes,desde el inicio del proceso de los materiales y sepueden ubicar en posiciones reticulares ointersticiales.
  • 5.1 DEFECTOS PUNTUALES
  • D. DEFECTO SCHOTTKY. En cristales iónicos, los defectos puntuales sonmás complejos, debido a la necesidad de mantenerla neutralidad eléctrica de los mismos, cuando dosiones de cargas opuestas se pierden en un cristaliónico, se producen huecos anión - catión;produciendo defectos Schottky.E. DEFECTO FRENKEL. Cuando un catión se mueve a una posiciónintersticial, en un cristal iónico, se produce unavacante en la posición del ion, a esta dualidad devacante - defecto intersticial, se le llama defectoFrenkel. La presencia de estos defectos, en unmaterial iónico incrementa su conductividadeléctrica.
  • 5.2 DEFECTOS PUNTUALES – MATERIALES IONICOS
  • Las vacantes adicionales, en un material también puede producirse por:a)Por enfriamiento rápido desde altas temperaturas a bajas temperaturas.b)Por deformación plástica del metal.c) Por bombardeo con partículas energéticas.d)En los compuestos químicos, como una respuesta a las impurezas químicas y a las composiciones no estequiométricas. Las vacantes no equilibradas, tienen tendencia a unirse formando clusters, las cuales pueden cambiar de posición con sus vecinas; este proceso es importante en la difusión de átomos en estado sólido, sobre todo a altas temperaturas donde la movilidad de átomos es mayor.
  • 2.2. DEFECTOS DE LINEA O DISLOCACIONES. Son defectos en los sólidos cristalinos que distorsionan la red alrededor de una línea, estos se crean por:• Por una deformación plástica permanente.• Por condensación de vacantes.• Por desajustes atómicos en disoluciones sólidas.• Durante la solidificación. Las dislocaciones más importantes son: a) Dislocación de borde. b) Dislocación de tornillo.
  • A. DISLOCACION DE BORDE. Se generan en un cristal por la inserción o ausencia de un semiplano de átomos, en la red cristalina; producido esfuerzos de compresión o tracción, provocando una distorsión local en la red, a este tipo de dislocación también se le llama dislocación de Taylor y su representación es una "⊥" invertida para dislocación positiva y "T" en posición normal para una negativa, dependiendo del plano de referencia considerado.
  • La distancia de desplazamiento de los átomosalrededor de una dislocación se denominadeslizamiento o vector "b" de Burgers y parauna dislocación de borde este vector de cierrees perpendicular a la dislocación y su magnitudestará dada por la diferencia de segmentosentre átomos para el área considerada ocircuito de Burgers.
  • 3.4 INCLUSIONES METALICAS.En los aceros aleados además de los constituyentescitados pueden haber otros elementos en diferentesformas.A) FORMA DE CARBUROS.EL Cr, Mo, W, Mn y V se combinan con el carbono,formando carburos metálicos muy duros. Estoscarburos forman parte de los aceros rápidos queconservan su dureza y resistencia al desgaste atemperaturas superiores a 500 ºC.B) DISUELTOS EN FERRITA.El Ni, Cr, Al, Si, Mn, Cu, P, pueden encontrarse en
  • C) EMULSIONADOS.El Cu en porcentajes superiores al 6 % y el Pb enporcentajes superiores al 1,5 % pueden encontrarseformando pequeñas bolsas en la masa del aceroconfiriéndole propiedades especiales, sobre todo deconductividad.