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1 materiales

  1. 1. Tecnología Industrial II Bachillerato Ciencias y TecnologíaESTRUCTURA DE LOS MATERIALESPROPIEDADES Y ENSAYOS DE MEDIDA IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
  2. 2. 1.1 EL ÁTOMOEl átomo es la estructura eléctrica formada por la agrupación departículas elementales. Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II Las propiedades y comportamiento de los materiales dependen, de su constitución (elementos químicos que lo forman) y estructura (asociación de los átomos de los elementos) Las partes fundamentales del átomo son:  Núcleo: con carga positiva y con toda la masa atómica.  Corteza: constituida por los electrones, que consideramos sin masa Todo átomo que no está excitado es neutro desde un punto de vista eléctrico, la carga de los electrones de la corteza es igual a la carga del núcleo, en caso contrario hablaríamos de iones (+ o -)
  3. 3. 1.1.1 ESTRUCTURA DEL NÚCLEO•El núcleo está formado por los nucleones (protones y neutrones). Losprotones le aportan la carga eléctrica al núcleo. En el núcleo nos Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIencontramos además:• - Número atómico Z: número de protones del núcleo (si esátomo neutro será igual al de electrones)• - Número másico (o masa atómica) A: corresponde a la sumade neutrones y protones del núcleo, es decir, al número de nucleones.•Respecto a la composición del núcleo, los átomos puedes ser: Isótopos: mismo número de protones y distinto de neutrones Isótonos: mismo número de neutrones y distinto de protones. Isóbaros: mismo número másico
  4. 4. Tecnología Industrial II IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Jesús Ángel Tendero SánchezNúmero másico o Masa atómica
  5. 5. 1.1.2. ESTRUCTURA DE LA CORTEZAEn la corteza se encuentran los electrones que giran alrededor delnúcleo a gran velocidad describiendo órbitas elípticas. Las órbitas seagrupan en diferentes niveles energéticos o niveles cuánticos que sedenominan capas orbitales. Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IINiveles energéticos: 1 (2e-), 2(8e-), 3(18e-), 4(32e-), 5(50e-), 6(72e-)Niveles orbitales: s(2e-). p(6e-), d(10e-), f(14e-)Desde un punto de vista tecnológico nos interesa conocer el comportamiento delos electrones corticales, los periféricos, que son los que determinan suspropiedades químicas. Estos electrones están unidos al núcleo de un modo másdébil y menos estable que los más próximos , de modo que tiende a cederlospara alcanzar una estructura más estable.Se pueden dar dos casos:a) Capa exterior completa: el átomo es químicamente inerte, no reacciona con otros átomos. Ejemplo: gases nobles: Helio, Argón, Neón,…b) Capa exterior incompleta: el átomo puede absorber electrones o cederlos a otro, siempre buscando la estructura inerte.
  6. 6. 1.2. FUERZAS Y ENERGÍAS DEINTERACCIÓN ENTRE ÁTOMOSEntre átomos se pueden desarrollar:a) Fuerzas atractivas debidas a la naturaleza del enlace y las atracciones electrostáticas entre el núcleo de uno y la nube Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II electrónica de otrob) Fuerzas repulsivas debidas a la acción electrostática de los núcleos y las nubes electrónicas entre sí Energía de enlace: la necesaria para separar los átomos o moléculas que lo forman una distancia infinita, es decir, la precisa para destruir el enlace La temperatura de fusión es un indicador de la energía de enlace
  7. 7. 1.3. ESTRUCTURA ELECTRÓNICA YREACTIVIDAD QUÍMICA Según la estructura electrónica tenemos: A) Elementos estables: gases nobles. Son químicamente estables y en condiciones normales no reaccionan con otros átomos Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II B) Elementos electropositivos: son metálicos por naturaleza y ceden electrones en la reacciones químicas para producir iones positivos o cationes (número de oxidación positivo (Ba2+)) . Los elementos más electropositivos pertenecen a los grupos 1 A y 2 A de la tabla periódica. C) Elementos electronegativos: son no metálicos y aceptan electrones en las reacciones químicas para producir iones negativos o aniones - (número de oxidación negativo (Cl )). Los elementos más electronegativos pertenecen a los grupos 6 A y 7 A de la tabla periódica. Concepto: Electronegatividad: capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí. La tendencia de un átomo a mostrar un comportamiento electropositivo o electronegativo puede cuantificarse asignando a cada elemento un número de electronegatividad que se mide en una escala desde 0 hasta 4,1.
  8. 8. 1.4. TIPOS DE ENLACES ATÓMICOS YMOLECULARES El enlace químico entre átomos se produce por la disminución de la energía potencial de los mismos en estado enlazado. Esto significa que cuando los átomos se encuentran en estado enlazado sus condiciones energéticas son más estables que cuando se encuentran libres. Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II Los enlaces en general pueden ser: fuertes o primarios o débiles o secundarios. Enlaces atómicos A su vez se pueden clasificar en:  A) Iónicos (Metal + No Metal): Por transferencia de electrones entre átomos muy electropositivos y átomos muy electronegativos. No direccional y relativamente fuerte.  B) Covalentes (No Metal + No Metal). Por compartición de electrones. En una dirección localizada.  C) Metálicos (Metal + Metal). Por compartición de electrones deslocalizados. No direccional y fuerte. Enlaces moleculares Pueden ser de dos tipos: A) Dipolo Permanente (débiles) B) Dipolo Inducido (muy débiles) E. Covalente
  9. 9. ENLACES SECUNDARIOS (FUERZAS MOLECULARES) Los enlaces moleculares, o unión de unas moléculas con otras, se dan entre moléculas con enlaces covalentes atómicos. La interacción se puede efectuar de dos formas: A) Fuerzas de Van der Waals: estas fuerzas tienen su origen en Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II las atracciones y repulsiones de los campos eléctricos y magnéticos creados por núcleos y electrones corticales. Podemos considerar dos orígenes:  Polarización (dipolo permanente): uno de los átomos que forman la molécula tiene más afinidad por los electrones que el otro. La molécula se comporta como un dipolo eléctrico.  Efectos de dispersión(dipolo inducido): en todas las moléculas simétricas y gases nobles, por el movimiento de los electrones que causa movimientos de los centros de las cargas. B) Puentes de hidrógeno: en moléculas bipolares (agua). Se debe a la atracción que existe entre el núcleo del hidrógeno de una molécula y los electrones no compartidos del oxígeno, flúor o nitrógeno exclusivamente. Más fuerte que Van der Waals.
  10. 10. 1.5. ESTRUCTURA CRISTALINA Los estados fundamentales de la materia son sólido, líquido y gaseoso. Según las condiciones de presión y temperatura, ciertas materias pueden presentar los tres estados (agua), otras sólo el sólido y el líquido (metales) y otras tan sólo el sólido (madera). Desde un punto de vista tecnológico el estado que más nos interesa es el Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II sólido. Los sólidos en función de la ordenación de sus átomos pueden clasificarse en:  Sólidos amorfos: no existe ordenación de los átomos, que se localizan aleatoriamente. Ej.: vidrio  Sólidos cristalinos: existe una ordenación espacial que se extiende y repite en los tres ejes del espacio. Ej.: los metales. Conceptos: Estructura cristalina: los átomos, iones o moléculas presentan una distribución ordenada en posiciones regulares y repetidas en el espacio, siguiendo formas geométricas definidas. Retículo espacial (red cristalina): ordenación atómica de los sólidos cristalinos, que se representa situando los átomos en el origen de una red tridimensional (retículo espacial). Celdas unitarias: unidad repetida del retículo cristalino. La celda unitaria queda definida por los vectores a, b y c, que convergen en un punto o vértice común y tres ángulos , β, y
  11. 11. Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIRetículo cristalino hexagonal Celda unitaria Ejercicios  1, 2, 3, 4, 5, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, y 16
  12. 12. 1.6. SISTEMAS CRISTALINOS En cristalografía, dependiendo del módulo o valor de los vectores reticulares (a, b y c) y de su dirección o ángulos interaxiales ( ,β y ), nos podemos encontrar con 7 sistemas cristalinos diferentes y 14 retículos espaciales diferentes, denominados Redes de Bravais.Sistema Cristalino Red de Bravais Sistema Cristalino Red de BravaisTriclínico OrtorómbicoMonoclinico
  13. 13. Sistema Cristalino Red de BravaisTetragonal Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II Sistema Cristalino Red de BravaisRomboédrico(trigonal) Cúbico BCC/CC. Cúbico centrado en el cuerpoHexagonal HCP. Hexagonal compacto FCC/CCC. Cúbico centrado en las caras
  14. 14. Redes en las que cristalizan los metalesBCC/CC. CÚBICA CENTRADA EN EL CUERPO. En lacelda cada átomo ocupa un vértice y además otro se ubicaen el centro geométrico del cubo. Característica en generalde metales más durdos (cromo, wolframio, hierro …) Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIFCC/CCC. CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS. Losátomos se colocan en los vértices del cubo y también en loscentros geométricos de las caras, sin colocarse ninguno enel centro de gravedad. Característica de metales dúctiles(hierro φ, aluminio, plata, níquel, platino…) HCP . HEXAGONAL COMPACTA. Los átomos se colocan en los vértices de un prisma hexagonal, en los centros de las bases y en el plano equidistante a las dos bases. Característica de los metales frágiles (cadmio, cobalto, titanio, cinc,…)
  15. 15. CONSTANTES DE LAS ESTRUCTURAS CRISTALINASa) Definiciones1.Índice de coordinación: Número de átomos que en una redcristalina rodean a uno dado2.Factor de empaquetamiento atómico FPA: Relación existente Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIentre el volumen que ocupan los átomos en una celda unitaria y elvolumen de la celda unitaria.3.Arista a: Es la arista de la celda unitaria.4.Radio R: Es el radio de los átomos presentes en la celda. b) BCC Cúbica centrada en el cuerpo. 1.Índice de coordinación= 8 (al átomo central le rodean ocho, uno en cada vértice del cubo) 2.Número total de átomos en la celda=1(centro)+8*1/8(vértices)=2 3.Relación a/R (Constante reticular): Del dibujo 4 a .R se observa que 3 4. FPA: 4 8 3 2.( .R 3 ) R 3 3 0.68 , es decir un 68%. No es el valor a3 4 máximo posible. ( R) 3 3
  16. 16. c) FCC Cúbica centrada en las caras1.Índice de coordinación= 122.Número total de átomos en la celda=6*1/2(caras)+8*1/8(vértices)=43.Relación a/R: Del dibujo se observa que 4 a .R 2 Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II4. FPA= 4 8 3 4.( .R 3 ) R 3 3 0.74 es decir, 74 % a3 4 ( R) 3 2,d) HCP Hexagonal compacta1.Índice de coordinación= 122.Número total de átomos en la celda=6*1/6*2(vértices en caras sup einf)+2*1/2(caras sup e inf)+3(centro)=64. FPA=0.74
  17. 17. 1.7. ALOTROPÍA Dependiendo de las condiciones de presión y temperatura, un mismo elemento o compuesto químico presenta diferentes estructuras cristalinas. A estos diferentes estados los llamaremos polimórficos o alotrópicos. Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II Este concepto lo ampliaremos en el tema de aleaciones1.8. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES Las tres propiedades mecánicas fundamentales de los materiales son: • Cohesión es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse. Se valora a través de ensayos de dureza. •Elasticidad indica la capacidad que tienen los materiales elásticos de recuperar la forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma. Se valora mediante ensayos de tracción •Plasticidad define la facilidad de adquirir deformaciones permanentes. Cuando estas deformaciones se presentan en forma de láminas, hablaremos de maleabilidad, y si se presenta en forma de filamentos, de ductilidad. Se valora por medio de ensayos de tracción.
  18. 18.  Además podemos destacar:• Dureza: mayor o menor resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados.• Tenacidad: capacidad de resistencia a la rotura por la acción de las fuerzas exteriores. Fragilidad: propiedad opuesta a la tenacidad. Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II•• Resistencia a la fatiga: es la resistencia que ofrece un material a los esfuerzos repetitivos.• Resiliencia: es la energía absorbida en una rotura por el impacto. Todas las propiedades de los materiales se reducen a dos: propiedades físicas y propiedades químicas. Las químicas afectan a la estructura y la composición del material (oxidación y corrosión). Las físicas son todas las demás, entre las que destacan las propiedades mecánicas y las tecnológicas (colabilidad, templabilidad, maleabilidad, soldabilidad..)
  19. 19. 1.9. CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE ENSAYOS1. Atendiendo a la rigurosidad de su ejecución distinguiremos entre: 1.a) Ensayos técnicos de control: Son aquellos que se realizan durante el proceso productivo. Se caracterizan por su rapidez y simplicidad, al Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II mismo tiempo han de ser exactos, fieles y sensibles. 1.b) Ensayos científicos: Son aquellos que se realizan para investigar características técnicas de nuevos materiales. Se caracterizan por su gran precisión, fidelidad y sensibilidad, pero no importa la rapidez que exige la producción.2. Atendiendo a la forma de realizar los ensayos distinguiremos entre: 2.a) Ensayos destructivos: Los materiales sometidos a este tipo de experimentos ven alteradas su forma y presentación inicial. 2.b) Ensayos no destructivos: Los materiales sometidos a este tipo de pruebas no ven alteradas su forma y presentación inicial.
  20. 20. 3. Atendiendo a los métodos empleados en la determinación de las propiedades de los materiales distinguiremos: 3.a) Ensayos químicos: Nos permiten conocer la composición química cualitativa y cuantitativa del material, así como su comportamiento ante los agentes químicos. Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II 3.b) Ensayos metalográficos: Con la ayuda del microscopio metalográfico estudiaremos la estructura interna del material que nos permitirá conocer los tratamientos térmicos y mecánicos que ha sufrido el mismo. 3.c) Ensayos físicos y físico-químicos: Mediante éstos determinaremos las propiedades físicas (densidad, punto de fusión, calor específico, conductividad térmica y eléctrica, etc.), así como las imperfecciones y malformaciones tanto internas como externas. 3.d) Ensayos mecánicos: Destinados a determinar las características elásticas y de resistencia de los materiales sometidos a esfuerzos o deformaciones análogas a las que se presentan en la realidad. En este grupo se incluyen los ensayos estáticos de tracción, compresión, cizalladura, flexión y torsión; ensayos de dureza; ensayos de choque o dinámicos; ensayos de fatiga y fluencia; ensayos tecnológicos de plegado, doblado, embutición, forjado, etc.
  21. 21. 1.10. DEFORMACIONES ELÁSTICAS YPLÁSTICAS Deformación elástica: Cuando un material es sometido a una tensión y se produce una deformación y al cesar el esfuerzo el material vuelve a sus Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II dimensiones iniciales ha experimentado una deformación elástica. Deformación plástica: Cuando un material es sometido a una tensión y se produce una deformación y al cesar el esfuerzo el material no vuelve a sus dimensiones iniciales sino que ha cambiado de tamaño ha experimentado una deformación plástica.
  22. 22. 1.11. TENSIÓN Y DEFORMACIÓN SoConsideremos una varilla cilíndrica de longitudlo y una sección S0, sometida a una fuerza F de Stracción. lo FDefiniremos: Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II lo l•F=fuerza de tracción o tensión (Kg o N) l•lo=longitud inicial de la varilla (cm o m).•l=longitud de la varilla mientras estásometida a la fuerza (cm o m)•So=superficie de la sección inicial de la varilla(cm2 o m2) l l lo•S= superficie de la sección de la varillamientras está sometida a la fuerza (cm2 o m2) l l lo• l=incremento de longitud o alargamiento( cm o m) lo lo• =alargamiento unitario o deformación enla ingeniería (es adimensional) F•σ =tensión axial o esfuerzo (kg/cm2 oN/m2(pascal)) So
  23. 23. En la práctica industrial, es habitual convertir la deformación en unporcentaje de deformación o porcentaje de alargamiento:% deformación = x 100 % = % alargamiento1.12. ENSAYO DE TRACCIÓN Jesús Ángel Tendero Sánchez x 1 IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIConsiste en someter a una probeta de forma y dimensionesnormalizadas a un sistema de fuerzas exteriores (esfuerzo detracción) en la dirección de su eje longitudinal hasta romperla.Las probetas son de dos tipos:1 . Las probetas cilíndricas se utilizan en ensayos con materiales forjados,fundidos, barras y redondos laminados y planchas de espesor grueso.2. Las probetas prismáticas se emplean en planchas de espesores medios ypequeños.
  24. 24. A. MÁQUINAS DE TRACCIÓNSon dispositivos mecánicos o hidráulicos que someten a las probetas a un esfuerzo otensión de tracción creciente en todas las secciones transversales. Esto provoca undesplazamiento de las mordazas que sujetan la probeta, que comienza a alargarse. Lamáquina detecta, cuantifica y relaciona las fuerzas y tensiones aplicadas y lasdeformaciones (alargamientos) producidos.B. ANÁLISIS DE UN DIAGRAMA DE TRACCIÓNLos resultados obtenidos en la realizaciónde un ensayo de tracción se representanen una gráfica de tal manera queobtengamos una curva que relacione lastensiones axiales de una seccióntransversal con los alargamientosunitarios.
  25. 25. Z. No Proporcional Zona Elástica Z. Proporcional Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIAl estudiar este diagrama, podemos distinguir dos zonas fundamentales:1. Zona elástica (OE). Se caracteriza porque al cesar las tensiones aplicadas, losmateriales recuperan su longitud original lo. Dentro de la zona elástica distinguiremos doszonas:1.1. Zona de proporcionalidad (OP). Observamos que se trata de una recta, por tanto, existeuna proporcionalidad entre las tensiones aplicadas y los alargamientos unitarios.Matemáticamente se cumple:σ=cte ε. Es la zona en la que deben trabajar los materiales. 1.2.Zona no proporcional (PE). El material se comporta de forma elástica, pero lasdeformaciones y tensiones no están relacionadas matemáticamente. No es una zonaaconsejable para trabajar los materiales, ya que no podemos controlar la relacióndeformación-tensión aplicada, aunque el material es elástico
  26. 26. Zona límitede rotura Zona de rotura Zona Plástica Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II2. Zona plástica (ES). Se ha rebasado la tensión del límite elástico sE, de tal forma queaunque dejemos de aplicar tensiones de tracción, el material ya no recupera su longitudoriginal, es decir, su longitud será algo mayor que la longitud inicial lo. Diremos que elmaterial ha sufrido deformaciones permanentes. Dentro de la zona plástica distinguiremosotras dos zonas:2.1.Zona límite de rotura (ER). A pequeñas variaciones de tensión se producen grandesalargamientos. La diferencia con la zona elástica no proporcional es que los materiales notienen comportamiento elástico, ya que estamos en zona plástica y las de-formaciones sonpermanentes. El límite de esta zona es el punto R, llamado límite de rotura, y a la tensiónaplicada en dicho punto la denominaremos tensión de rotura. A partir de este punto elmaterial se considera roto, aunque no se haya producido la fractura visual.2.2.Zona de rotura (RS). Superado el punto R, aunque se mantenga constante o bajeligeramente la tensión aplicada, el material sigue alargándose progresivamente hasta que seproduce la rotura física total en el punto S.
  27. 27. Este comportamiento de los materiales se puede generalizar. No obstante,existen algunas excepciones entre las que se encuentra el acero, cuya gráfica delensayo de tracción presenta una característica peculiar, y es la existencia de unazona localizada por encima del límite elástico, donde se produce un alargamientomuy rápido sin que varíe la tensión aplicada. Este fenómeno se conoce como Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIfluencia, ya que el material fluye sin causa aparente. El punto donde comienzadicho fenómeno se llama límite de fluencia (F) y la tensión aplicada en dichopunto tensión de fluencia. Diagrama de tracción del acero. Fenómeno de Fluencia
  28. 28. 1.13. LEY DE HOOKEEs una ley que relaciona linealmente los esfuerzos y las deformaciones. Sólo esaplicable en la zona de proporcionalidad, ya que una vez rebasado dicho límite elcomportamiento no es lineal.La explicaremos para un caso de tracción pero es igualmente válida para el caso de la Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIcompresión (si no se produce pandeo).La ley de Hooke la podemos enunciar como:“Los alargamientos unitarios son proporcionales a las tensiones que los producensiendo la constante de proporcionalidad el módulo elástico o módulo de Young”. .E El módulo elástico o módulo de Young E es la pendiente de la recta curva , es decir la tangente del ángulo a que forma la curva con la horizontal. Las unidades de E son N/m2, Kp/cm2 o Kp/mm2. Esta ley sólo es válida en la zona de proporcionalidad
  29. 29. 1.14. TENSIONES MÁXIMAS DE TRABAJOCuando diseñamos una pieza o elemento simple de una estructura, debemos tenerpresente el diagrama de fuerzas que actúan sobre dicha pieza o elemento, para que elingeniero no la sobredimensione o la haga trabajar en zonas de deformaciones plásticas.Además, pueden aparecer otros tipos de tensiones que podemos llamar Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIimprevistas. Para solucionar este tipo de problemas, la normativa establece unatensión máxima de trabajo (σt), que definiremos como el límite de carga al quepodemos someter una pieza o elemento simple de estructura. Cuantitativamente, elvalor de esta tensión es inferior a la tensión correspondiente al límite deproporcionalidad.Desde el punto de vista de la seguridad, podremos decir:1. Que el elemento resistente no padece deformaciones plásticas.2. Que cumple la Ley de Hooke.3. Que nos permite un margen de seguridad que asume la posibilidad de laaparición de fuerzas imprevistas.Se calcula como: t f /n σf = límite de fluencia σr = límite de rotura t r /n A n se la llama coeficiente de seguridad y es siempre mayor que uno. La elección de una de las dos ecuaciones depende de la utilización de la pieza o elemento simple y de la normativa legal técnica vigente
  30. 30. Tensión de rotura Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II Tensión de fluencia Tensión del límite elástico Tensión del ímite de proporcionalidad Tensión trabajoDiagrama de tracción. Tensión máxima de trabajo
  31. 31. 1.15. ENSAYOS DE DUREZA La dureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro. Los ensayos de dureza determinan la propiedad mecánica de la cohesión Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II A) Ensayos de dureza al rayado. Los primeros procedimientos que se utilizaron, se basaron en la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados. Fue Mohs, en 1822, el que estableció la primera escala de dureza con los materiales, donde cada uno de ellos es rayado por el siguiente en la escala. Ésta comienza por el talco como el más blando, y termina con el diamante como el más duro. a) Ensayo de Martens El esclerómetro de Martens fue la primera máquina que se empleó para medir la dureza al rayado. El ensayo consistía en la medida de la anchura de una raya, que se producía en el material ensayado mediante una punta de diamante de forma piramidal, cargada con una fuerza determinada y constante. b) Ensayo a la lima Se somete al material en estudio a la acción cortante de una lima, conservando el efecto cortante producido. Se emplea para determinar la dureza superficial después de un tratamiento térmico.
  32. 32. B) Ensayos de penetración.Estas técnicas cuantitativas para determinar la dureza de los materiales sebasan en un pequeño penetrador que es forzado sobre la superficie delmaterial a ensayar en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicaciónde la misma. En estos ensayos se mide la profundidad o tamaño de la huellaresultante. Las durezas así medidas tienen solamente un significado relativo (noabsoluto), y es necesario tener precaución al comparar las durezas obtenidas portécnicas distintas: Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II•Ensayo BrinellConsiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetrodeterminado, contra el material a ensayar, por medio de una carga (F) ydurante un tiempo determinado.Definimos: F F HB S D (D D2 d2)donde: 2HB=dureza en grados Brinell (kp/mm2)F=carga aplicada en KgS=área del casquete esférico formado enmm2D=diámetro de la bola en mmf=profundidad de la huella en mmd=diámetro de la huella
  33. 33. Generalmente, no se calcula la dureza Brinell aplicando la fórmula, sino por medio detablas, donde conocido el diámetro de la huella, encontramos directamente el valor dela dureza.Este ensayo tiene sus limitaciones. Aunque se practica de forma correcta enmateriales de perfil grueso, donde las huellas obtenidas son nítidas y de contornosdelimitados, si lo aplicamos a materiales de espesores inferiores a 6 mm, con bola de10 mm de diámetro, se deforma el material y los resultados que se obtienen son Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIerróneos. Para solucionar este problema, se puede disminuir la carga de tal forma quelas huellas sean menos profundas, disminuyendo también el diámetro de la bola, paraque el diámetro de la huella quede compren-dido entre:D/4 < d< D/2Si consideramos su valor medio, tenemos que d = 0,375 D.En cuanto a las cargas, éstas tienen que serproporcionales al cuadrado del diámetro, para que lashuellas obtenidas sean semejantes y los resultadoscomparables Es decirP (kp)=K.D2(mm2)La constante de proporcionalidad K depende dela clase de material a ensayar, siendo mayor paramateriales duros y menor para los blandos.Respecto a los tiempos de aplicación de cargas duranteel ensayo, varían entre 30 segundos para los aceros y 3minutos para los materiales más blandos.
  34. 34. •Ensayo VickersPara este ensayo el penetrador que utilizamos es unapirámide regular de base cuadrada, cuyas caraslaterales forman un ángulo de 136º. Se recomiendautilizar este ensayo para durezas superiores a 500 HB.Presenta ventajas respecto al ensayo anterior, porque sepuede utilizar tanto para materiales duros como blandos, yademás los espesores de las piezas pueden ser muy pequeños Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II(hasta 0,05 mm).Las cargas que se utilizan son muy pequeñas, de 1 a 120kg, aunque lo normal es emplear 30 kg.El grado de dureza Vickers (HV) se obtiene de modo similar alBrinell: F F HV 1.8542 S d2donde:HV=dureza en grados VickersF=carga aplicada en Kg sobre el penetrador piramidalS=superficie lateral de la huella en mm2L= lado de la base cuadrangular de la huella en mmd= diagonal de la base de la huella en mmh=altura de las caras laterales de la pirámide
  35. 35. •Ensayo de Rockwell.El método Brinell no permite medir la dureza de los aceros templados porque sedeforman las bolas.Para evitar este hecho se utiliza la máquina Rockwell, que se basa también en laresistencia que oponen los materiales a ser penetrados. No obstante, adiferencia de los anteriores, se determina la dureza en función de laprofundidad de la huella.Es un ensayo muy rápido y fácil de realizar, pero menos preciso que los Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIanteriores. Es válido para materiales blandos y duros.El penetrador consiste en una bola para materiales blandos, obteniéndoseel grado de dureza Rockwell bola (HRB); o bien un cono de diamante de 120ºpara materiales duros resultando el grado de dureza Rockwell cono comoHRC.
  36. 36. El proceso de realización del ensayo Rockwell es el siguiente:1. Aplicamos una carga de 10 kg al penetrador (cono o bola), hasta conseguir una pequeña huella, se mide su profundidad h1, que se toma como referencia, colocando el comparador de la máquina a cero.2. Aumentamos las cargas hasta 90 kg (HRB) o 140 kg (HRC), mantenemos Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II la carga un tiempo comprendido entre 3 y 6 segundos, y medimos la profundidad producida h2.3. Retiramos las cargas adicionales y volvemos sólo a aplicar 10 Kg. El penetrador se recuperará y ascenderá hasta la posición h1+e. El valor de e no es cero, ya que las deformaciones que se producen en el material son plásticas y elásticas, y al dejar de aplicar las cargas permanecen únicamente las primeras, cuyo valor es e.
  37. 37. La dureza Rockwell no se expresa directamente en unidades depenetración, sino por el valor diferencia respecto a dos números dereferencia: - Dureza Rockweil HRB = 130 - e - Dureza Rockweil HRC = 100 - eLas máquinas de ensayo de dureza ofrecen la medida de e en múltiplos de 0,002mm y el máximo valor de e es el correspondiente a una profundidad de Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIpenetración de 0,2 mm1.16. ENSAYO DINÁMICO POR CHOQUE.ENSAYO DE RESILIENCIA La finalidad de este ensayo dinámico por choque es la determinación de la energía absorbida por una probeta de determinadas dimensiones, al provocar su ruptura de un solo golpe.Las probetas para el ensayo se encuentran normalizadas, y suelen tener 55 mmde longitud y una sección cuadrada de 10 mm de lado. En el punto mediode su longitud está entallada en foma de U o V.
  38. 38. La máquina más utilizada en el ensayo de resiliencia es el péndulo Charpy Consta de una base rígida con dos soportes verticales, unidos en la parte superior por un eje horizontal; dicho eje lleva acoplado un brazo giratorio, en cuyo extremo va situado un martillo en forma de disco, el cual golpea la probeta y produce la rotura. La resiliencia se obtiene como: Ep Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II ASe expresa en (julios/cm2)Ep: energía potencial del pénduloabsorbida por la probeta (julios).A: sección de la probeta en lazona de la entalla (cm2). Esquema de péndulo Charpy
  39. 39. 1.17. ENSAYOS DE FATIGA Fatiga: Rotura de las piezas por debajo de límite elástico, aún cuando se ven sometidas a cargas inferiores a las de rotura, siempre que estas actúen durante el tiempo suficiente. Suele producirse en piezas que están sometidas a esfuerzos variables en magnitud y sentido que se repiten con cierta frecuencia. Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIPara que la rotura no tenga lugar, con independencia del número de ciclos orepeticiones es necesario que la diferencia entre la carga máxima y la mínima seainferior a un determinado valor, llamado límite de fatiga que en los aceros suele estarentre un 40 o un 50% del límite de rotura .Los ensayos de fatiga más habituales son losde flexión rotativa como el que se ve en lafigura.La probeta se somete en su centro a un esfuerzode flexión provocado por dos pesos. Si se hacegirar a la probeta, esta experimenta un procesocíclico pues la parte que inicialmente estabasometida a compresión, al girar, se somete a unesfuerzo de tracción.Las roturas por fatiga presentan dos zonas biendefinidas, una de grano fino mate y distribuciónondular que parece surgir de un punto defectuosoy otra de grano fino brillante que indica la roturafinal sin apenas deformación
  40. 40. 1.18. ENSAYOS TECNOLÓGICOSEste grupo de ensayos se diferencian fundamentalmente del resto en el hecho deque, con ellos, no se pretenden obtener valores cuantitativos en cálculosnuméricos, sino que únicamente sirven para estudiar el comportamiento delmaterial ante un fin al que se destina. En consecuencia, el ensayo reproduce, a escala Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial IIconveniente, las condiciones prácticas de aquél.A) Ensayo de plegadoSirve para estudiar las características de plasticidad de los materialesmetálicos.Para ello, se doblan las probetas en condiciones normalizadas, y se observa si aparecengrietas en la parte exterior de la curva, donde los esfuerzos de tracción son elevados.El ensayo se puede realizar en frío y en caliente según condiciones normalizadas. Lasprobetas son prismáticas, de sección rectangular, pulidas, y la cara de tracción tiene lasaristas redondeadas.
  41. 41. El ensayo se puede llevar a cabo de forma que las caras de las probetas queden: Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II En contacto Paralelas a una distancia determinada Formando un ángulo
  42. 42. B) Ensayo de embuticiónEl ensayo consiste en presionar un vástago sobre la chapa hasta que seproduce la primera grieta. Se comprueba el grado de embutición midiendo lapenetración en milímetros del punzón o vástago hasta la aparición de la primeragrieta. Jesús Ángel Tendero Sánchez IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) Tecnología Industrial II

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