Guía de Laboratorio Completa

Guía de Laboratorios Ciencia de los Materiales

440048

I Semestre 2016

Universidad el Bio-Bio

Facultad de Ingeniería Mecánica

DIMec

Laboratorio de Física III

Guía de laboratorios

Semestre I, 2016

440048 Sebastián Carriel Carrasco. [email protected]

2 NORMATIVA DE LABORATORIO DE MATERIALES

Las sesiones de laboratorio comenzarán con un Test de Entrada correspondiente a la experiencia a realizar. Al finalizar deberá entregar el Informe de la experiencia según la Pauta de Informe entregada por el profesor. ASISTENCIA

Las sesiones se realizarán según calendarización en Plataforma ADECCA. El porcentaje de asistencia al laboratorio es del 100%. No se aceptarán alumnos o alumnas atrasados (as) una vez iniciada la experiencia y éste

no es motivo de recuperación. En el caso que llegue una vez iniciado el TEST, tendrá Nota 1 (uno) en él.

La asistencia al Test de Ciclo es OBLIGATORIA, se asume como otra experiencia. Si el alumno o alumna falta a una experiencia: a) Sólo podrá recuperarla, si existe CAUSAL DEBIDAMENTE JUSTIFICADA. b) Debe presentar Solicitud de Recuperación, como cualquier evaluación. c) Autorizada la recuperación, el profesor definirá día, hora y sala. II OBLIGACIONES DEL ALUMNO O ALUMNA

Estudiar y analizar previamente la experiencia en la Guía de Laboratorio. Antes de ingresar a Laboratorio se debe Apagar el Teléfono Celular. Manejar un cuaderno personal, donde pueda llevar ordenadamente apuntes acerca de las

experiencias realizadas y las propuestas. Lápiz, calculadora, reglas y otras herramientas son de uso Personal.

Vestir adecuadamente, usar zapatos cómodos. Evitar uso de gorros, sombreros, bufandas, alhajas, aretes o pulseras.

ES OBLIGATORIO EL USO DE DELANTAL. Las experiencias contienen dos o más actividades propuestas, en algunas se realizarán una

o más actividades, quedando como su obligación desarrollar las demás. Es responsabilidad del Alumno (a) verificar periódicamente sus calificaciones.

III EVALUACIÓN

La nota final de laboratorio se obtendrá de acuerdo a las siguientes ponderaciones: Promedio Test de Entrada: 30% Promedio Informes: 25% Test de Ciclo: 45% No existe nota mínima de aprobación.

Para convalidar el laboratorio se debe presentar documento que aparezca la calificación

final acreditando así que ya se aprobó dicho laboratorio.


Semestre I, 2016


3

Informe de Laboratorio (Pauta laboratorio a laboratorio) El objetivo primario de un Informe en ingeniería es transmitir información técnica a individuos que

tengan la misma preparación que el autor. La información en el informe debe ser presentada tan

clara y precisa como sea posible, pero siempre con el detalle suficiente para que el método y los

datos sean comprendidos por el lector.

Contenidos

(Pauta laboratorio a laboratorio)


Semestre I, 2016


4

Contenidos

I. Ensayo Tracción.

II. Ensayo Dureza.

III. Estructura Metalográfica.

IV. Tratamientos térmicos de los aceros.

V. Plástico reforzado con fibra de vidrio (fiberglass).

VI. Ensayos no destructivos.


Semestre I, 2016


5

Experiencia N°1 y N°2 Ensayo de tracción 1.1. OBJETIVO DEL ENSAYO. Determinar experimentalmente las propiedades mecánicas (límites de proporcionalidad, fluencia y rotura) para una probeta de acero. 1.2. CONSIDERACIONES TEORICAS GENERALES. Se denomina tracción axial el caso de un cuerpo donde las fuerzas exteriores actúan a lo largo del mismo. En este caso, en las secciones transversales del cuerpo (barra) aparece sólo una fuerza longitudinal y las fuerzas transversales y momentos no están presentes. Esta fuerza transversal (de acuerdo al método de las secciones) es igual a la suma algebraica de las fuerzas externas, que actúan de un lado de la sección. Según la norma chilena NCh 200 Of72 de 1972 y editada en 1999, define ensayo de tracción como un ensayo aplicado a una probeta, sometiendo ésta a un esfuerzo de tracción creciente en sentido uniaxial, generalmente hasta la rotura, con el fin de determinar una o más propiedades mecánicas del material. Se denomina esfuerzo de ingeniería a la fuerza interior, correspondiente a la unidad de superficie

en un punto de una sección dada. Para el caso de tracción axial, el esfuerzo está determinado por

la ecuación.

Donde: σ es el esfuerzo de ingeniería [N/m2], P es la carga axial [N] y A0 es el área de la sección [m2].

El esfuerzo de ruptura, o sea el valor del esfuerzo de ingeniería cuando ocurre la fractura, se anota pero no se incluye en las especificaciones para materiales dúctiles. En materiales frágiles es difícil distinguirlo de la resistencia a la tracción. Los ensayos a tracción se realizan para obtener las características mecánicas del material.

Mediante el ensayo se traza el diagrama de la relación que existe entre la fuerza P, que estira la

probeta, y el alargamiento (∆l ) de ésta. Para que los resultados de los ensayos que se realizan con


Semestre I, 2016


6 probetas del mismo material, pero de distintas dimensiones, sean comparables, el diagrama de

tracción se lleva a otro sistema de coordenadas. En el eje de las ordenadas se coloca el valor del

esfuerzo normal que surge en la sección transversal de la probeta, σ= P

Ao , donde A0 es el área

inicial de la sección de la probeta, y sobre el eje de las abscisas, los alargamientos unitarios,𝜀 =∆l

𝑙𝑜

donde 𝑙𝑜 es la longitud inicial de la probeta. Este diagrama se denomina diagrama convencional de

tracción (diagrama de esfuerzos convencionales ó de ingeniería), puesto que los esfuerzos y los

alargamientos unitarios se calculan, respectivamente, referente al área inicial de la sección y a la

longitud inicial de la probeta.

Fig.1.1. Diagrama 𝜎 − 𝜀 𝑑𝑒 𝑢𝑛 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜.

Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se com-

porta como un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial. Se

tiene entonces que en la zona elástica se cumple que:

F = K (li − l0) (1.1)

Dónde:

F: fuerza

K: cte. del resorte

li : longitud instantánea bajo carga

l0: longitud inicial


Semestre I, 2016


7 Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el

material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se

quita la carga la probeta quedaría más larga que al principio. Deja de ser válida nuestra ecuación

1.1 y se define que ha comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite

entre la zona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia (yield point) y la fuerza

que lo produjo la designamos como límite de fluencia (LF).

Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un

máximo en Fmax . Entre FLF y Fmax la probeta se alarga en forma permanente y

repartida, a lo largo de toda su longitud. En Fmax la probeta muestra su punto débil,

concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello.

La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir.

Al adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor ´area, provocando la ruptura.

La figura 1.3 muestra la forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y

luego de la ruptura.

Figura 1.3: Formación del cuello y ruptura.

Para expresar la resistencia en términos independientes del tamaño de la probeta, se dividen las

cargas por la sección transversal inicial A0, obteniéndose la resistencia a la fluencia en la ecuación

1.2 y la resistencia máxima a la tracción en la ecuación 1.3.


Semestre I, 2016


8 Las unidades de estas medidas pueden ser kg/mm2, MPa o kpsi. En particular nosotros usaremos

la del sistema internacional, es decir en MPa.

La figura 1.4 se ilustra una probeta al inicio del ensayo indicando las medidas iniciales necesarias.

Figura 1.4: Medidas iniciales.

Analizando las probetas después de rotas, es posible medir dos parámetros: El alargamiento

final Lf figura 1.5 y el diámetro final Df , que nos dará el área final Af .

Figura 1.5: Medidas después de la rotura.

Estos parámetros se expresan como porcentaje de variación de área y porcentaje de alargamiento

entre marcas, y se calculan según las ecuaciones 1.4.

Ambos parámetros son las medidas normalizadas que definen la ductilidad del material, que es la

capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. La

fragilidad se define como la negación de la ductilidad. Un material poco dúctil es frágil. La figura

1.6 permite visualizar estos dos conceptos gráficamente.


Semestre I, 2016


9

Figura 1.6: Curvas típicas dúctil y frágil.

El área bajo la curva fuerza-desplazamiento (f-d) representa la energía disipada durante el

ensayo, es decir la cantidad de energía que la probeta alcanzo a resistir. A mayor energía, se dice

que el material es más tenaz a la fractura. A partir de los valores obtenidos en el gráfico

fuerza- desplazamiento, se puede obtener la curva esfuerzo-deformación ingenieril (σI − sI ).

El esfuerzo ingenieril σI , que tiene unidades de fuerza partido por área y la deformación ingenieril

sI , se definen como se muestra en la ecuación 1.5.

A partir de estos valores se calculan los parámetros de esfuerzo y deformación real (σR − sR ), que

se definen en las ecuaciones 1.6. Esto se hace considerando que la probeta va disminuyendo su

área mientras se estira, pasado su límite elástico.

σR = σI (sI + 1) , sR = ln(sI + 1) (1.6)

Vale la pena recalcar, que los valores ingenieriles y reales son idénticos hasta el punto de fluencia,

y a continuación de este el esfuerzo real es siempre superior al ingenieril y por el

contrario la deformación real es siempre menor que el valor ingenieril.

Estas correlaciones anteriores son válidas solo antes que empieza la formación del cuello, ya que

se calcularon teniendo en cuenta que el volumen era conservativo. Las condiciones anteriores nos

permiten definir una correlación que solo se cumple cuando el material es poco sensible a la

velocidad de deformación, mediante la Ecuación de Ludwik (ecuación 1.7), en la zona de

alargamiento homogéneo, mediante la siguiente correlación.


Semestre I, 2016


10

Donde K es el coeficiente de resistencia y n es el ´índice de endurecimiento por deformación o

´índice de acritud. Estos dos valores son constantes características que dependen del material y de

las condiciones del ensayo.

Comúnmente solo se grafica la curva de esfuerzo-deformación ingenieril, ya que esta

permite obtener, como lo mencionamos anteriormente, la resistencia máxima a la fractura, que es

menor a el dato real. Esto permite tener un factor de seguridad debido a que pueden influir

factores externos que fracturen la pieza antes de lo esperado, y con esta diferencia se asegura que

el material no se fractura.

La constante que correlaciona estas dos variables (σ−s) a lo largo de la zona elástica se denomina

módulo de Young (E ) mediante la Ley de Hooke (σ = E · s ). El módulo de Young es un indicador de

la rigidez del material (si aumentamos E aumentaremos también la rigidez). Mide la resistencia de

los enlaces interatómicos del material E se mantiene más o menos constante cuando el material se

encuentra aleado, ya que el valor del módulo de Young no depende de la fase, de si el material

está aleado, recocido, etc. Lo que realmente afecta al módulo de Young es la temperatura. El

módulo de Young es igual para cálculos de resistencia a compresión como a tracción. Por

convenio, en el ensayo de compresión se tomarán como negativos los valores de las fuerzas y

deformaciones.

En la figura 1.7 se presenta un ejemplo del gráfico esfuerzo-deformación de un acero.

Figura 1.7: Grafico esfuerzo v/s deformación típico de un acero.


Semestre I, 2016


11 En los siguientes ejemplos de curvas σ −s se puede observar las características de cada material.

El hule muestra una gran ductilidad al alcanzar una gran deformación ante cargas

pequeñas. El yeso y el carburo de tungsteno muestran poca ductilidad, ambos no tienen

una zona plástica, es decir, se rompen con valores bajos de elongación, por lo tanto son

materiales frágiles. La única diferencia entre ellos es la resistencia que alcanzan.

Figura 1.8: Distintas curvas σ − c en [klb/pulg2].

Los diagramas esfuerzo-deformación de diversos materiales varían ampliamente y diferentes

ensayos de tensión con el mismo material pueden producir resultados diferentes de

acuerdo con la temperatura de la probeta y la velocidad de carga. Sin embargo, es posible

distinguir algunas características comunes a los diagramas de varios grupos de materiales y

dividirlos en dos amplias categorías: materiales dúctiles y materiales frágiles, conceptos definidos

anteriormente.


Semestre I, 2016


12 Durante el ensayo de tracción, si se descarga la probeta, luego de alcanzar la zona plástica, pero

antes de producirse la ruptura, la curva de tracción cambia de forma. La longitud de la

probeta tiende a recuperarse, pero no alcanza la longitud inicial, quedando con una longitud

mayor, que se denomina deformación permanente. A nivel gráfico, la curva se devuelve con la

pendiente de la zona elástica (figura 1.9).

Figura 1.9: Recuperación en el rango plástico de una probeta traccionada.

Finalmente, si la curva de tracción del material no presenta claramente dónde termina la zona

elástica y comienza la zona plástica, se define como punto de fluencia al correspondiente a

una deformación permanente del 0,2 %. La figura 1.10 ilustra lo anterior, mostrando el

diagrama de esfuerzo contra deformación para cobre policristalino.

Figura 1.10: Curva que muestra el límite de fluencia para una deformación permanente del 0,2 %.


Semestre I, 2016


13

l

La ductilidad es otra importante propiedad mecánica. Es una medida del grado de deformación

plástica que puede ser soportada hasta la fractura. Un material que experimenta poca o

ninguna deformación plástica se denomina frágil. El diagrama tensión - deformación para

materiales dúctiles y frágiles se ilustra esquemáticamente en la figura 1.11.

La ductilidad puede expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo porcentual, o bien

mediante el porcentaje de reducción de área. El alargamiento relativo porcentual a rotura, %EL, es

el porcentaje de deformación plástica a la rotura, es decir

Donde lf es la longitud en el momento de la fractura, y l0 es la longitud original de la probeta. El

valor de %EL dependerá del largo original de la probeta, por lo que ´este se debe

especificar al mencionar el alargamiento relativo.

Figura 1.11: Representación esquemática de los diagramas de tracción de materiales frágiles y

dúctiles ensayados hasta la fractura.

El porcentaje de reducción de área %AR se define como:


Semestre I, 2016


14

donde A0 es el ´área de la sección inicial y Af es el ´área de la sección en el momento

de la fractura. Los valores del porcentaje de reducción de ´área son independientes de l0 y

A0. Además, para un determinado material los valores de %EL y %AR son en general diferentes. La

mayoría de los metales tienen al menos un pequeño grado de ductilidad a temperatura ambiente;

sin embargo, algunos se hacen frágiles a medida que disminuye la temperatura.

El conocimiento de la ductilidad de un material es importante, ya que permite conocer el grado en

que una estructura se puede deformar antes de producirse la rotura (o bien el grado de

deformación que se puede permitir durante las operaciones de conformación). Como materiales

frágiles se consideran aquellos que tienen una deformación a la fractura menor que un 5 %

(aproximadamente). En la tabla 1.1 se muestran valores típicos a temperatura ambiente

del límite elástico, resistencia a la tracción y ductilidad de algunos metales, los cuales han sido

tratados térmicamente para que tengan baja resistencia. Estas propiedades son sensibles a la

deformación previa, presencia de impurezas y tratamientos térmicos a los cuales haya sido

sometido el material. El módulo de elasticidad es un parámetro mecánico que es insensible a

estos tratamientos.

Tabla 1.1: Propiedades mecánicas típicas de varios metales en el estado recocido y de pureza

comercial.

Material Límite elástico [psi (MPa)] Resistencia a la tracción [psi (MPa)] Ductilidad %EL (en 2 pulg.)

Oro Nil 19000 (130) 45

Aluminio 4000 (28) 10000 (69) 45

Cobre 10000 (69) 29000 (200) 45

Acero 19000 (130) 38000 (262) 45

Níquel 20000 (138) 70000 (480) 40

Titanio 35000 (240) 48000 (330) 30

Molibde

no

82000 (565) 95000 (655) 35

1.3. PROCEDIMIENTO

Para obtener las propiedades mecánicas de los materiales de las probetas, se debe someter éstas

a tracción axial, medir las variables fuerza P y alargamiento (∆l ó δ), a incrementos conocidos de

fuerza o deformación. Con los datos obtenidos se construyen los gráficos P−𝜀, 𝜎 − 𝜀.

1.4. MAQUINARIA, MATERIALES E INSTRUMENTOS DE MEDIDA.


Semestre I, 2016


15

Probetas: se usarán probetas de iguales dimensiones. Sin embargo es aconsejable precisar el

diámetro de trabajo en mm al realizar el ensayo de cada probeta. En nuestro caso trabajaremos

con probetas de dimensiones no normalizadas.

Fig. 1.2. Dimensiones principales Normalizada para probetas de ensayo de tracción según NCh200

Of72 (medidas en mm).

MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAYO Zwick/Roell Modelo BT1-FB100TN

La máquina se basa en dos columnas que sirven de bastidor (Figura 1.3), en las cuales se incorpora un sistema de movimiento por cremalleras, que hacen posible el desplazamiento de un travesaño en el cual van sujetos lo accesorios. Para el caso del ensayo de tracción, se cuenta con un juego de mordazas de cuña con insertos intercambiables (dependiendo del diámetro de la probeta a ensayar). La máquina de ensayos cuenta con una interfaz computacional, conectada a un ordenador de escritorio usando el software TestXpert ll, el cual además de servir de nexo máquina-ordenador, permite la configuración de los distintos tipos de ensayos, el seguimiento en tiempo real de los ensayos, la manipulación de los informes proporcionados, además del almacenamiento de estos. La máquina Zwick/Roell Modelo BT1-FB100TN, provee

de una fuerza máxima de tracción equivalente a 100 kN (10197,16 kg). Se usa la máquina universal de ensayo en la cual se pueden realizar ensayos de tracción,

compresión y flexión, con el objeto de determinar las propiedades de muchos materiales.

Fig.1.3 Vista general de la máquina de ensayos.


Semestre I, 2016


16

1.5. INSTRUMENTOS CONVENCIONALES DE MEDIDA Para la medición de las dimensiones indicadas en la Fig. 1.2. se usan instrumentos convencionales de medición. El calibrador Vernier (Fig.1.4) y el micrómetro (Fig. 1.5).

Fig.1.4. Calibrador Vernier Fig. 1.5. Micrómetro El calibrador se usa para la medición de dimensiones interiores, exteriores y profundidades con precisión de 0,1mm. El micrómetro se usa para la medición de dimensiones exteriores con precisión de 0,01mm. 1.6. REALIZACIÓN DEL ENSAYO Habiendo determinado el diámetro de la probeta a ensayar y su longitud, se debe preparar la máquina para realizar el ensayo. a) La probeta debe ser colocada entre las mordazas de sujeción adecuadas, según el diámetro de la probeta. Las mordazas de cuña que posee la máquina evitan el resbalamiento de las probetas, haciendo posible el montaje de probetas cilíndricas, sin necesidad de aditamentos de sujeción adicionales. Incluso es posible el ensayo de aceros de construcción estriados. b) El ajuste de la posición inicial de la celda de carga, está dada por la configuración del programa “Ensayo de tracción sin Extensometro.zp2”. Este último, será explicado posteriormente con un mayor detenimiento. La manipulación de la altura de la celda de carga, puede ser modificada de forma manual desde la propia máquina, utilizando los botones del panel frontal, presionando el botón “POS” se encenderá una luz bajo la tecla y manteniendo presionado el botón con la flecha hacia arriba o hacia abajo, se desplazará la celda de carga para que adopte la posición deseada. Posterior al ajuste, se debe volver a presionar el botón “POS” (Fig.1.6.), para desactivar la función de movimiento manual, apagándose la luz.


Semestre I, 2016


17

Fig. 1.6. Panel selector para desplazamiento manual de travesaño máquina universal Zwick/Roell BT1-FB100TN.

c) Habiendo posicionado la celda de carga, y estando la probeta correctamente ubicada, se procederá a configurar el software TestXpert II para realizar el ensayo, según parámetros y normas determinados. ENSAYO DE DUREZA 2.1 OBJETIVO DEL ENSAYO.

Determinar la dureza de metales ferrosos, empleando las escalas Rockwell, Brinell y Vickers. 2.2 CONSIDERACIONES TEORICAS GENERALES. La dureza se define como la resistencia del material a resistir una deformación plástica localizada, generalmente por penetración. La primera forma de medir la dureza fue a través del rayado, donde se medía la resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro. El ensayo de dureza Mohs es el que usa para determinar la dureza que se basa en que un cuerpo es rayado por otro más duro. Se tiene tabulado del 1 al 10 como sigue en la tabla 1.1, donde los aceros están entre el 6 y 8.

Tabla 2.1. Tabulación de la dureza de Mohs

1.Talco 6.Feldespato

2.Yeso 7.Cuarzo

3.Calcita 8.Topacio

4.Fluorita 9.Corindón

5.Apatita 10.Diamante

Actualmente se usa otro tipo de medición de dureza basada en la resistencia que opone un material a dejarse penetrar por otro más duro. El ensayo de dureza es simple, de alto rendimiento


Semestre I, 2016


18

ya que no destruye la muestra y particularmente útil para evaluar propiedades de los diferentes componentes microestructurales del material. Los métodos existentes para la medición de la dureza se distinguen básicamente por la forma de la herramienta empleada o penetrador, por las condiciones de aplicación de la carga y por la propia forma de calcular o definir la dureza. La elección del método para determinar la dureza depende de factores tales como las dimensiones de la muestra y espesor de esta. 2.2.1. DURÓMETRO Un durómetro es el instrumento de medición utilizado para realizar un ensayo de dureza y por ende poder medir la dureza de la muestra. Existen durómetros especializados y calibrados para las distintas escalas y tipos de dureza, de las cuales hablaremos a continuación. 2.2.2. ESCALAS DE DUREZA El método usado generalmente para obtener una medición de la dureza es medir la profundidad o el área de una marca dejada por una punta o penetrador de una forma específica, con una fuerza determinada puesta un momento específico. Hay tres métodos estándares para realizar esta prueba que expresar la relación entre la dureza y el tamaño de la marca, éstos que son Brinell, Vickers, y Rockwell. Por razones prácticas y de calibración de los durómetros, cada uno de estos métodos tiene una escala propia, definida por una combinación de la carga y de la geometría aplicada del penetrador. 2.2.2.1. Dureza Brinell (HBS) Este ensayo de dureza Brinell consiste en comprimir una bola dura, de acero templado, de un diámetro determinado, sobre el material a ensayar, por medio de una carga fija y durante un tiempo conocido. Con la penetración de la bola en la muestra se puede medir la superficie de la marca semiesférica, entonces la dureza HBS es el cociente entre la carga efectuada y la superficie de la marca.

Fig.2.1. Esquema del ensayo de dureza Brinell

Entonces dejando todo en función de los datos queda la siguiente expresión:


Semestre I, 2016


19

𝐻𝐵𝑆 =2𝑃

𝜋𝐷(𝐷 − √𝐷2 − 𝑑2

Donde P es la carga aplicada, D el diámetro de la bola del ensayo y d el diámetro de la marca. El tiempo del ensayo va desde los 10 a los 15 segundos. Generalmente se usan bolas de 10 mm de diámetro. El valor de la carga P viene dado por la relación P = KD2, donde K=cte. del ensayo. Los valores de K para algunos materiales son: - Aceros y elementos siderúrgicos K=30 - Cobres, Bronces, Latones K=10 - Aluminio y aleaciones K=5 - Materiales blandos (Sn, Pb) K=2,5 Para realizar el ensayo se debe tener las siguientes consideraciones: 1. La superficie de la probeta debe ser plana, estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola,

libre de óxido y lubricantes.

2. El espesor de la probeta, debe ser al menos ocho veces la profundidad de la marca.

3. La distancia entre 2 huellas debe ser al menos de 4 a 6 d y la distancia del centro de la huella al borde de la muestra debe ser al menos 2,5 d.

4. Temperatura de ensayo es alrededor de 23° C

En las pruebas de metales extremadamente duros la bola del acero endurecido se remplaza por una bola de carburo de tungsteno ya que para durezas superiores a 500 (aceros templados), las bolas de acero se deformarían. En la nomenclatura Brinell se muestra de la siguiente forma 152 HBS 10/3000/15, donde significa que son 152 cifras Brinell usando una punta de 10 mm de diámetro, con una carga de 3000 kgp por 15 seg. Como comúnmente se usan puntas de 10 mm de diámetro y durante 15 segundos se aplica la carga, solo se especifica el tamaño de la carga. La medición de esta dureza se puede usar para diversos propósitos como: - Determinar el %C de un acero. Solo valido para aceros al carbono.

%𝐶 =𝐻𝐵𝑆 − 80

141

- Cálculo de la resistencia a la tracción. σp

𝜎𝑝 = 0.36𝐻𝐵𝑆 ≅𝐻𝐵𝑆

3

2.2.2.2. Dureza Rockwell (HRX)


Semestre I, 2016


20

El ensayo de dureza Rockwell consiste en presionar el material de prueba con un cono de diamante o una punta esférica de acero templado. La punta es forzada en el material de prueba

bajo una carga menor, generalmente de 10 �⃗� g como se muestra en la parte A de la figura 1.5. Después de esto, se debe esperar que se alcance el equilibrio, con un dispositivo que indica si continúa moviéndose la punta. En seguida se agrega la carga principal sumándola a la carga anterior (Fig. 2.2.B). Cuando se alcanza el equilibrio otra vez, se quita la carga principal pero la carga preliminar se mantiene (Fig. 2.2.C). El retiro de la carga principal permite una recuperación parcial, reduciendo así la profundidad de la penetración.

Fig.2.2. Esquema del ensayo de dureza Rockell

El aumento en la profundidad de la penetración, resultando del uso y del retiro de la carga principal se utiliza para calcular el número de la dureza de Rockwell que se calcula de la siguiente forma:

HRx = E − e Generalmente este valor de dureza es medido por el durómetro, ya sea de forma digital o análoga. Se utilizan diferentes escalas de medición de dureza Rockwell dependiendo de la punta que se utilice. También depende de esta las cagas utilizadas. Esto se puede ver en la siguiente tabla.

Tabla 2.2. Tipos de dureza Rockwell y cargas aplicadas según tipo de punta.


Semestre I, 2016


21

Para realizar el ensayo se debe tener las siguientes consideraciones:

1. La superficie de la probeta debe ser plana, estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes.

2. El espesor de la probeta debe ser 10 veces la penetración del cono ó de la bola.

3. La distancia entre 2 huellas debe ser mayor a 3 d y la distancia del centro de la huella al borde debe ser al menos 2,5 d.

4. Temperatura de ensayo es alrededor de 23° C.

5. Si las piezas son cilíndricas y el diámetro es menor a 30 mm. debemos introducir un factor de corrección.

Este ensayo tiene muchas ventajas, es un método rápido y preciso, y no necesita de operarios especializados, además deja huellas más pequeñas que el método Brinell. Pero tiene el inconveniente que si el material no asienta perfectamente, las medidas resultan erróneas. 2.2.3. Dureza Vickers (HV) El ensayo de dureza Vickers consiste en presionar el material de prueba con una punta de diamante, con forma de una pirámide de base cuadrada y un ángulo de 136º grados entre las

caras opuestas, con una carga de 1 a 100 �⃗� g. La carga completa se coloca normalmente de 10 a 15 seg.


Semestre I, 2016


22

Fig.2.3. Esquema del ensayo de dureza Vickers

Las dos diagonales de la marca que quedó en la superficie del material después que se retiró la carga, se miden usando un microscopio. Con esto se puede calcular el área inclinada de la marca. La dureza Vickers es el cociente de la carga por el área inclinada de la marca, expresado en la siguiente ecuación:

𝑑 =𝑑1 − 𝑑2

2

𝐻𝑉 = 1,854𝑃

𝑑2

Las ventajas del ensayo de dureza Vickers son que las lecturas tomadas pueden ser extremadamente exactas, y solo se ocupa un solo tipo de punta para todos los tipos de metales y de tratamientos de superficie. Aunque es adaptable y muy exacto desde el más blando al más duro de los materiales, bajo cargas que varían, el durómetro de Vickers es notablemente más cotoso que los durómetros usados en los ensayos Brinell y Rockwell. Al entregar un resultado de cifras Vickers se debe especificar la carga usada, pero como

comúnmente se utilizan 10 �⃗� g, al usar esta no es usual que se especifique.


Semestre I, 2016


23

Experiencia N° 3 Estructura Metalográfica 3.1 OBJETIVO DEL LABORATORIO. Preparar la muestra para la correcta observación de la estructura metalográfica de los metales y aleaciones. 3.2 CONSIDERACIONES TEORICAS GENERALES. La metalografía consiste en el estudio de la constitución y la estructura de los metales y las aleaciones. La forma más sencilla de realizar el estudio es examinando las superficies metálicas a simple vista, determinando de esta forma las características macroscópicas. Para observar la estructura del material, las fases presentes, el tamaño de grano y rientación de grano, se requiere una preparación de la muestra metalográfica. La reparación de la muestra considera:

Corte de la muestra Montaje de la muestra Lijado de la muestra Pulido con paño Limpieza y secado Ataque con reactivo Observación metalográfica

3.2.1 Corte metalográfico

Figura 3.1 Cortadora metalográfica El material es necesario seccionarlo o cortarlo en una forma determinada. Se trata de lograr superficies planas con la menor deformación posible. En general, los mejores resultados se obtienen con corte por abrasivo.


Semestre I, 2016


24

Un factor a tener en cuenta es la temperatura generada por rozamiento en el corte, por lo cual el corte debe realizarse con un líquido refrigerante, de lo contrario se estaría modificando la estructura original. 3.2.2 Montaje metalográfico La muestra preparada, si es pequeña se monta en resina para su mejor preparación posterior y almacenada. Si la muestra que va a examinarse es lo suficientemente grande, no es necesario montarla. El montaje se puede realizar mediante resina líquida y un catalizador en un molde, o bien a partir de pellet de polímeros (baquelita), donde el montaje se realiza calentando el molde (por medio de una resistencia eléctrica para fundir y compactar la resina).

Figura 2.2. Montaje de muestras

3.2.3 Pulido metalográfico

Se usa un equipo Desbastador ó Pulidora Metalográfica, se prepara la superficie del material, en su primera fase, se desbasta la superficie de la muestra con papel de lija, de manera uniforme y así sucesivamente disminuyendo el tamaño de grano del papel de lija (de 240 a 800) hasta llegar al papel de menor tamaño de grano. En el desbaste Fino, se requiere de una superficie plana libre de ralladuras, la cual se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño especial húmedo cargado con partículas abrasivas cuidadosamente seleccionadas en su tamaño, para ello existen varios abrasivos en polvo disueltos en agua para efectuar este pulido (alúmina, polvo de diamante, alumdun, etc.).

Figura 3.3 Pulidora Metalográfica


Semestre I, 2016


25

3.2.4 Ataque químico Con el fin de observar la estructura metalográfica de los metales y aleaciones y poder identificar las fases presentes, se hace necesario atacar la superficie de la muestra preparada con un reactivo químico. Existe una gran cantidad de reactivos químicos, para atacar diferentes tipos de metales y aleaciones. Uno de los más usados es el nital (alcohol + H2NO3 al 2%), para la gran mayoría de los metales ferrosos. Una guía de los ataques químicos utilizados para revelar las fases y microconstituyentes de metales y aleaciones se pueden ver en la norma ASTM E407 - 07 Standard Practice for Microetching Metals and Alloys. 3.2.5 Microscopio Metalográfico En comparación con uno de tipo biológico, el microscopio metalúrgico difiere en la manera en que la muestra es iluminada. Como una muestra metalográfica es opaca a la luz, la misma debe ser iluminada por luz reflejada. Un haz de luz horizontal de alguna fuente de luz es reflejado, por medio de un reflector de vidrio plano, hacia abajo a través del objetivo del microscopio sobre la superficie de la muestra. Un poco de esta luz incidente reflejada desde la superficie de la muestra se amplificará al pasar a través del sistema inferior de lentes, el objetivo, y continuará hacia arriba a través del reflector de vidrio plano; luego, una vez más lo amplificará el sistema superior de lentes, el ocular. Cada objetivo posee un aumento propio característico (5X, 10X, 20X, 50X, 100X). El poder de amplificación inicial del objetivo y del ocular está generalmente grabado en la base de el lente. Cuando se utiliza una combinación particular de objetivo y ocular y la longitude adecuada de tubo, la amplificación total es igual al producto de las amplificaciones del objetivo y del ocular. Es decir, con un objetivo 50X y un ocular 10X se obtiene una amplificación total de 500X. De los tres elementos esenciales que constituyen un microscopio (objetivo, ocular e iluminador) el objetivo es el más crítico, por su influencia sobre la calidad de la imagen observada.

Figura 3.4 Microscopio Metalográfico


Semestre I, 2016


26

Experiencia N°4 PLASTICO REFORZADO CON FIBRA DE VIDRIO 4.1. OBJETIVO DE LA EXPERIENCIA Conocer las propiedades, características y formas de trabajar algunas resinas plásticas reforzadas con fibra de vidrio. 4.2. CONSIDERACIONES TEORICAS GENERALES. La fibra de vidrio es un material inventado en los años sesenta en el contexto de la investigación espacial de los países desarrollados, este material se produce estirando vidrio fundido hasta diámetros inferiores a una centésima de milímetro. Se pueden producir hilos multifilamento largos y continuos, tanto como fibras cortas de 25 o 30 centímetros de largo. En Chile la fibra de vidrio se conoce desde hace aproximadamente unos 45 años, se utilizó principalmente en la industria química para almacenar y transportar sustancias corrosivas, se ha extendido su uso a la producción de piezas industriales como tanques, vigas, tuberías, etc. y actualmente es utilizado ampliamente en todo tipo de artículos domésticos como piscinas, estanques, accesorios de vehículos, etc. A nivel mundial una gran variedad de productos son fabricados en base a los Plásticos reforzados en Fibra de Vidrio (PRFV), como por ejemplo: aviones, vehículos, embarcaciones, repuestos y accesorios para vehículos, casas, armamento de guerra, etc. El Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio (P.R.F.V.) es un material compuesto, constituido por una estructura resistente de fibra de vidrio y un material plástico que actúa como aglomerante de las mismas. El refuerzo de fibra de vidrio, provee al compuesto: resistencia mecánica, estabilidad dimensional, y resistencia al calor. La resina plástica aporta: resistencia química dieléctrica y comportamiento a la intemperie. Dependiendo del uso que se dará al producto que se creará hay que considerar los componentes y propiedades tanto de la resina, o plástico, como de la fibra de vidrio a utilizar, así como el proceso de fabricación que se empleará. Los beneficios del Plásticos Reforzado en Fibra de Vidrio (PRFV) incluyen:

alta resistencia bajo peso dimensionalmente estable resistencia a la corrosión excelente resistencia eléctrica flexibilidad de diseño


Semestre I, 2016


27

Es por ello que los productos hechos con fibra de vidrio pueden competir favorablemente, si bien su costo todavía es elevado en el país, por los beneficios descritos representa una inversión que significa el ahorro a largo plazo. 4.3. MATERIAS PRIMAS Hay dos tipos de materiales principales que se debe considerar: la resina y la fibra de vidrio. Además, están los diluyentes, catalizadores (peróxido de metil-etil-cetona), acelerantes (octoato de cobalto al 6 %) y otros elementos. 4.3.1. LAS RESINAS El plástico, tal como lo conocemos en el uso cotidiano en artefactos como baldes o tambores, llega a ser de consistencia dura a través de un proceso de moldeo en la fabricación de las piezas que realiza la industria. Su materia prima, sin embargo, tiene una consistencia viscosa o de líquido espeso, y es lo que se conoce como resina. Hay dos tipos principales de resinas: las termoplásticas y las termofijas. 4.3.2. Las resinas termoplásticas La palabra termoplástico contiene dos ideas, por un lado "termo" se refiere a que la sustancia está sujeta al calor que se le aplica, y por otro lado "plástico" se refiere a que la sustancia es moldeable; es decir, las resinas termoplásticas son moldeables al calor. Los termoplásticos son materiales que se caracterizan por presentar la capacidad de disolverse al tratarlos con productos o solventes apropiados; y de ser fusibles, es decir se derrite y combina con otras sustancias, bajo determinada temperatura. Como ejemplo de este tipo de resinas podemos considerar el nylon, el polipropileno, el policarbonato, el polietileno, y el ABS. 4.3.3. Las resinas termofijas Al igual que en el caso anterior la palabra termofija contiene dos ideas, "termo" se refiere a que la sustancia está sujeta al calor que se le aplica, y "fija" que se refiere a que la sustancia se mantiene estable; es decir, las resinas termofijas se mantienen estables aunque se les aplique calor. Se caracterizan por no disolverse, ser inflexibles y altamente rígidas. A estas resinas también se les denomina termorígidas. Los poliésteres, las resinas epóxica y éster vinílicas son algunos representantes de este grupo. 4.4. TIPOS DE RESINA

Existan dos grandes grupos de resinas que son usadas generalmente en la industria de plásticos reforzados, las resinas de poliéster y las resinas epoxi. Pero además de éstas cabe añadir otra a nuestra lista, la resina viniléster. 4.4.1. Resinas de poliéster Los poliésteres pueden ser saturados e insaturados. En los primeros se encuentra el grupo de las fibras textiles, como ejemplo podemos nombrar una fibra comúnmente llamada Dacrón, y los


Semestre I, 2016


28

insaturados que son entrecruzados mezclándolos con un monómero. Las resinas de poliéster insaturado son aquellas a las cuales nos referiremos. Las resinas de poliéster están compuestas por la mezcla de:

- Un poliéster insaturado producto de la condensación lineal de un diácido (maleico, ftálico, adípico) con un dialcohol (propilenglicol, etilenglicol, neopentilglicol).

- Un monómero insaturado (generalmente estireno). Se necesitan entonces cuatro componentes para producir una resina utilizable: un ácido insaturado, un ácido saturado, un alcohol y un monómero reactivo. Además de estos componentes para que la resina líquida tenga una vida adecuada, debe introducirse un inhibidor luego de que la resina esté fabricada, así se evita la gelificación de la resina durante el almacenamiento. Principalmente las resinas de poliéster tienen la característica de poder curar o endurecer cuando se le adicionan los productos químicos adecuados. Una vez que la resina ha obtenido su estado sólido, no podrá ser transformada nuevamente a su estado líquido. Los productos fabricados con resinas de poliésteres son resistentes a la corrosión y al ataque químico. Otra ventaja es que el curado o endurecimiento se produce a temperatura ambiente. También es una ventaja el que su moldeado no requiera de aplicar presión. Como se podrá deducir son este tipo de resinas de poliéster las que se utilizan en la fabricación de los PRFV. 4.4.2. Resinas epoxi Las resinas epoxis provienen de materiales termoestables que no generan productos de reacción durante el curado (entrecruzamiento) y por ello tienen poca contracción al curar. Se parecen en la forma de trabajar a las de poliéster como en su proceso de curado, pero su comportamiento es diferente, a temperatura ambiente la dosificación de catalizadores es mayor y este no se desprende, sino que entra a formar parte de la reacción química integrándose en la molécula resultante. Los agentes de curado usados con las epoxidicas no siempre actúan como catalizadores, como sucede con los poliésteres, sino que pueden entrar realmente en la reacción del curado y, por tanto, tener efectos marcados en las propiedades finales. El bajo peso molecular de las resinas no curadas en estado líquido les confiere una movilidad molecular excepcionalmente alta durante el proceso. Esta propiedad permite a la resina epoxi líquida empapar rápida y completamente las superficies. Esta acción de mojado es importante para los epoxis utilizados como materiales de refuerzo y adhesivos. Además de la habilidad de mojado es importante para el encapsulado eléctrico. La gran reactividad de los grupos epoxídicos con los agentes de curado como las aminas proporciona un alto grado de entrecruzamiento y produce gran dureza, resistencia mecánica y química. Puesto que no se generan productos de deshecho durante la reacción del curado, la contracción durante el endurecimiento es pequeña.


Semestre I, 2016


29

4.4.3. Resina viniléster Las resinas viniléster han sido diseñadas y fabricadas para satisfacer los requisitos críticos de los plásticos reforzados. Por su excepcional resistencia a la corrosión, las resinas viniléster son especialmente indicadas para usos industriales bajo las más severas condiciones. Si se produce una rotura química es la resina, generalmente la que es atacada. Las resinas viniléster tienen insuperables ventajas comparadas con materiales convencionales, una resistencia química y propiedades físicas superiores a las de poliéster, propiedades de manipulación superiores a las resinas de poliéster y epoxi. Entre las ventajas más destacadas se encuentra, la insuperable resistencia a la corrosión, en ambientes ácidos, bases y solventes orgánicos. La posición de los grupos éster en la estructura química de las resinas poliésteres y viniléster varía el comportamiento de estas frente al ataque químico. En el poliéster estos grupos aparecen en el centro y por eso una vez iniciado el ataque la cadena se divide pudiendo ser objeto de otros ataques químicos. En el viniléster los grupos éster se encuentran situados en los extremos de la cadena y por ello, en el caso de ataque químico, la parte central de la molécula no se ve afectada. Además de esto la estructura molecular muestra que el poliéster tiene un peso molecular más elevado y por esto una movilidad molecular reducida. Así como los puntos de reactividad disponibles muestra que el viniléster tiene puntos reactivos terminales, mientras que en los poliésteres se encuentran repetidos a lo largo de la cadena. Es por esto que los tiempos de curado son consistentes y las propiedades físicas elevadas. En el poliéster existen numerosos puntos reactivos que dan lugar a un entrecruzamiento aleatorio, lo que conlleva a propiedades físicas inferiores e inconsistentes. Si existen puntos reactivos que no han polimerizado, pueden ser atacados por los agentes químicos. La parte central de las resinas viniléster no contienen puntos de entrecruzamiento, por ello es capaz de utilizar su estructura molecular completamente para la absorción de choques mecánicos y térmicos. 4.5. LA FIBRA DE VIDRIO La fibra de vidrio es de origen mineral, es decir inorgánico. Se fabrica moldeando o soplando el vidrio fundido hasta formar hilos. Con ellos se elaboran diversos tipos de refuerzos para diferentes aplicaciones. Fibra de vidrio es vidrio en forma de filamentos. Los filamentos pueden ser hechos con diversos tipos de vidrio, designados con las letras A, E, C, AR y S. Los más comúnmente utilizados para refuerzo de productos son los tipos E (eléctrico), AR (Álcali Resistente) y C (con resistencia química) 4.6. CLASIFICACIÓN DE LAS FIBRAS DE VIDRIO. Vidrio A. Tiene alto contenido en sílice, es sensible a la humedad pero opone resistencia a los ácidos.


Semestre I, 2016


30

Vidrio B. Contiene borosilicato de calcio de poco volumen en alcális. Alta durabilidad y exquisitas peculiaridades eléctricas son algunas de sus características. Vidrio C. De precio más costoso que el del vidrio E, pero posee propiedades de resistencia menores y ofrece buena resistencia frente a los agentes químicos. Vidrio D. Es una fibra de vidrio caracterizada por su baja densidad pero poseedora de propiedades dieléctricas normales y absorbentes de ondas electromagnéticas. Vidrio E. Los elementos más significativos que conforman básicamente este tipo de vidrio son el borosilicato de calcio y aluminio, en cantidades pequeñas contienen potasio y sodio. Es el vidrio utilizado con más frecuencia para producir las fibras que formarán parte de futuros plásticos reforzados, también se utilizan para manufacturar fibras continuas. En cuanto a sus propiedades destacamos su alta densidad, buenas cualidades de rigidez, resistencia y desgaste. Muy utilizado para aplicaciones aeronáuticas, automotrices, náutica, etc. Las fibras realizadas con este tipo de vidrio, se hallan muy difundidas en la creación escultórica, ya que además de tener unas cualidades mínimas que son más que suficientes. Es la fibra más económica de todas. Vidrio ERC. Propiedades eléctricas conjuntadas con resistencia química. Vidrio I. Posee óxido de plomo y es empleado como escudo contra la radiación. Vidrio L. Tiene el plomo como elemento, lo que hace que sea impenetrable por las radiaciones infrarrojas. Vidrio R. Se encuentran en este vidrio ensalzadas todas las cualidades de resistencia, superando a las de otros tipos. Vidrio S. Con propiedades semejantes a las del vidrio anterior, son vidrios de precio aún más elevado. Vidrio X. Su elemento base es el litio, lo que confiere a este vidrio la translucidez a los rayos X. Vidrio AR. Posee una excelente resistencia a la tracción, del orden de 3 ó 4 veces la del acero. 4.7. TIPOS DE FIBRAS DE VIDRIO. Hay diferentes formas para la fibra de vidrio, dependiendo de en qué vaya a ser utilizada. Existen los siguientes tipos: las mantas de fibra de vidrio MAT, los tejidos de fibra de vidrio Woven Roving, los filamentos de fibra de vidrio roving, los velos de fibra de vidrio, las cintas de fibra de vidrio y la fibra de vidrio pre-impregnada. 4.7.1. Mantas de fibra de vidrio o Chopped Strand Mat (CSM) Fibra de vidrio llamada comúnmente "Mat". Los mats de buena calidad están construidos con filamentos individuales de 50 mm. de largo y distribuidos al azar dando una mínima orientación a los filamentos. Utilizando sólo fibra de vidrio del tipo mats, pueden fabricarse productos de bajo costo. Los mats son utilizados principalmente en laminación manual. Los pesos son medidos en gramos por metro cuadrado. 4.7.2. Tejidos de fibra de vidrio Woven Roving


Semestre I, 2016


31

Este producto es un tejido hecho de filamentos continuos colocados en forma vertical y horizontal, sin amarras. Por lo cual puede tomar distintas formas y curvas. Siendo un tejido pesado podrá dejas las marcas de su trama a través del Gelcoat si es colocado cerca de la superficie. Manteniendo una alta relación de fibra/resina se obtendrá laminados muy fuertes por moldeo por contacto y son utilizados principalmente como el último laminado en grandes estructuras tales como embarcaciones. Los woven roving pueden ser suministrados además con una fibra del tipo Mat unidos químicamente ó bien cosidos con un hilo. 4.7.3. Fibra de vidrio pre-impregnada Describimos este material sólo de manera general ya que no es tan utilizada. Tanto el MAT como el tejido roving existen en el mercado en la modalidad que incluye la resina y los químicos que producen su endurecimiento. Generalmente el efecto de endurecimiento se logra por contacto con el calor. 4.7.4. Roving directo para filament winding El "direct roving" ó "hilo roving" ha sido diseñado específicamente para usar en la técnica de enrollado de filamentos, filament winding. Se describe sólo como conocimiento general. Ofrecen rápida humectación y excelente procesamiento. Estos sistemas utilizan la unidad tex para su designación (Tex = g/1.000 m). 4.7.5. Roving para pistola spray-up Este "roving" está formado por mechas que contienen varios filamentos enrollados. Spray- Up es el más económico y más común de los procesos para fabricar productos de fibra de vidrio. Su uso principal es para la confección de matrices. 4.8. MONOESTIRENO (diluyente de resinas) Esta sustancia es parte de la resina o plástico, pero debe ser agregada porque durante el proceso de endurecimiento se evapora y es necesario restituir su cantidad para tener un óptimo resultado. En general, el monoestireno produce un efecto de adelgazamiento de la resina. Se debe tener precaución a la hora de añadir excesos de monoestireno. Dependiendo del tipo de resina hay límites óptimos de monoestireno. En caso de que ese límite sea sobrepasado, algunas de las propiedades de la resina se ven perjudicadas:

- Las resinas se vuelven quebradizas y sensibles al calor

- Hay una mala resistencia a la intemperie, el efecto en grietas se nota después de unas semanas o meses de colocación del producto.

4.9. CATALIZADORES Y ACELERANTES


Semestre I, 2016


32

4.9.1. Catalizadores Son agentes para el curado de resinas a distintas temperaturas en combinación con Acelerantes específicos. Este proceso de curado consiste en la transformación de la resina de estado líquido viscoso a un estado retículo tridimensional sólido. Los catalizadores se agregan a la resina en el momento de la preparación para su utilización. La función de los catalizadores es la de producir radicales libres que provoquen la iniciación de la polimerización. Estos radicales aparecen en la resina por descomposición de un peroxido o de un hidroperoxido orgánico, ya sea, por reacción con otro cuerpo llamado promotor o acelerante, o por acción de radiación, o por aportación de energía térmica. La polimerización de las resinas es más rápida a la luz del sol, ya que las ondas cortas producen radicales libres en la resina y provocan la iniciación de la polimerización. Los peróxidos orgánicos son altamente inflamables y en algunos casos no contienen aire. Los catalizadores más usados son los peróxidos de metil-etil cetona (MEKP) y los peróxidos de benzoilo. 4.9.2. Acelerantes

Son compuestos que se agregan a las resinas, para acelerar la descomposición del peróxido catalizador, permitiendo la formación de radicales libres, lo que dará inicio a la reacción química de endurecimiento. La función de los acelerantes es la de reforzar la acción de los catalizadores y permitir polimerizar a temperaturas menos elevadas, se añade a la resina al momento de su utilización. Se recomienda no mezclar el acelerante con el catalizador, ya que tiene una reacción violenta y puede provocar una explosión. Existen principalmente dos tipos de acelerantes, los acelerantes de cobalto y los 28 acelerantes de dimetilanilina (DMA), los primeros se utilizan con peróxidos de metil-etil cetona y los segundos con peróxidos de benzoilo. Se recomienda usar el Octoato de Cobalto (acelerante) y el Peroxido de metil-etil cetona Meck (catalizador). 4.10 PREPARACION DE LA RESINA

Un punto fundamental en la aplicación de PRFV, es preparar la resina adecuadamente, para ello se deben seguir los siguientes pasos:

Por cada 1 litro de resina pura, se agrega 10% de un litro de Monoestireno (diluyente de resinas) y 10% de un litro de Cobalto. Esto se hace para adelgazar la resina.

Se procede luego a revolver. Esta mezcla de resina se puede guardar bien tapada y en estas condiciones tiene un buen tiempo de duración sin que se seque

Una vez que se inicia el trabajo se agrega a la mezcla entre un 10% y un 15% de Peróxido de Merck y se revuelve. En este punto la mezcla se debe trabajar de inmediato impregnando la fibra de vidrio con esta resina preparada. La aplicación se realiza con rodillo y, en aquellos lugares donde no entra el rodillo, con brocha.


Semestre I, 2016


33

La resina se tiene que impregnar bien en la fibra de vidrio para lo que se debe pasar el rodillo o brocha varias veces hasta notar que la fibra se ha impregnado totalmente.

Con la dosificación señalada el secado empieza a actuar después de 20 minutos logrando un curado total después de 48 horas.

Esta misma dosificación se usa a escala para preparar mayor cantidad de resina. Es decir, se debe tener presente las siguientes proporciones:

ADVERTENCIA: Nunca se debe mezclar el Cobalto (acelerante) solo con el Peróxido de Merck (catalizador), tienen una reacción explosiva.


Semestre I, 2016


34

Experiencia N° 5

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

5.1 OBJETIVO DE LA EXPERIENCIA.

Conocer el procedimiento para realizar los Tratamiento Térmico de Recocido, Normalizado, Temple y Revenido. Para luego de estos, comparar las propiedades mecánicas de los materiales trabajados. 5.2 CONSIDERACIONES TEORICAS GENERALES.

Los tratamientos térmicos de los aceros son un conjunto de ciclos de calentamiento y enfriamiento a que se someten los metales para modificar su microestructura y, por lo tanto, sus propiedades. Metals Handbook, colección de libros sobre metalurgia editada por ASM (American Society for Metals de Metals Park, Ohio, EE.UU.), define los tratamientos térmicos como una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de tiempos determinados y aplicados a un los aceros en una forma tal que permitirá obtener las propiedades deseadas. La naturaleza, la forma, el porcentaje y la distribución de los constituyentes de los metales y aleaciones conforman la microestructura del material metálico considerado, la microestructura, consecuencia de las reacciones en estado sólido generadas entre las fases existentes a lo largo de los tratamientos térmicos, es responsable de las propiedades físicas, químicas y mecánicas de los aceros.

5.3. CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS

5.3.1. TRATAMIENTOS TERMO-FÍSICOS Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos termo-físicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales características mecánicas específicas, por medio de procesos de calentamiento y enfriamiento que permitan obtener la estructura cristalina deseada. Los tratamientos termo-físicos más comunes son:

- Recocido

- Normalizado

- Temple-Revenido

5.3.1.1. RECOCIDO Este término, que significa ablandamiento por el calor, es un tratamiento que se aplica a las piezas forjadas, chapas o alambres trabajados en frío y a piezas moldeadas por fundición. Su propósito


Semestre I, 2016


35

puede comprender una o varias de las siguientes finalidades:

Eliminar tensiones internas producidas por algún tratamiento previo Reducir la dureza del acero para conseguir ciertas especificaciones mecánicas o facilitar el

mecanizado Disminuir el tamaño de grano Conseguir una determinada microestructura

Se distinguen varios tipos de recocido, que se conocen como completo, de trabajo, de eliminación de tensiones y de esferoidización. El primero comprende: el calentar, lentamente el acero a una temperatura A3 + 50°C, mantenerlo a esta temperatura el tiempo suficiente para permitir que se produzcan las transformaciones necesarias, siguiendo la regla empírica de no menos de veinte minutos por centímetro de espesor de la sección más gruesa tratada, y enfriar lentamente, de 65° a 90°C por hora, hasta una temperatura previamente determinada.

5.3.1.2. NORMALIZADO Este tratamiento confiere al acero una estructura y propiedades que arbitrariamente se consideran como normales y características de su composición. Por medio de él, se eliminan las tensiones internas y se uniformiza el tamaño de grano. Se suelen someter a normalizado piezas que han sufrido trabajos en caliente, en frío, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos y se utiliza en aquellos casos en los que se desea eliminar los efectos de un tratamiento termico anterior defectuoso. Consiste en calentar los aceros a una temperatura A3 + 50°C, para que pasen al estado austenítico y dejar luego enfriar al aire tranquilo. En el normalizado, la velocidad de enfriamiento es más lenta que en el temple y más rápida que en el recocido. La estructura resultante es perlita y ferrita o cementita de grano fino (según el porcentaje de carbono).

5.3.1.3. TEMPLE Es un proceso que consiste en el calentamiento del acero seguido de un enfriamiento rápido con una velocidad crítica de temple. El fin que se pretende conseguir con el temple es aumentar la dureza y resistencia del acero, transformando toda la masa en austenita con el calentamiento y después, por medio de un enfriamiento rápido la austenita se convierte en martensita, que es el constituyente típico de los aceros templados. El factor que caracteriza a la fase de enfriamiento es la velocidad del mismo que debe ser siempre superior a la crítica para obtener martensita. La velocidad crítica de enfriamiento de los aceros al carbono es muy elevada. Los elementos de aleación permiten disminuir en general la velocidad crítica de temple y en algunos de aceros de alta aleación es posible realizar el temple al aire. A estos aceros se les denomina "autotemplantes". Los factores que influyen en la práctica del temple son:


Semestre I, 2016


36

El tamaño de la pieza: a mayor diámetro o espesor de la pieza mayor es el tiempo de

mantención a la temperatura de calentamiento. La composición química del acero: en general los elementos de aleación facilitan el

temple. El tamaño del grano y la composición química: influye principalmente en la velocidad

crítica del temple, teniendo mayor templabilidad los aceros de grano grueso. El medio de enfriamiento: el más adecuado para templar un acero es aquel que consiga

una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Los medios más utilizados son: agua, aceite, aire, baño de Plomo, baño de sales fundidas y polímeros hidrosolubles.

5.3.1.4. REVENIDO El revenido es un tratamiento térmico complementario al temple. Su finalidad es disminuir la fragilidad adquirida por los aceros al ser templados. La dureza alcanzada en el temple suele ser demasiado elevada, y la tenacidad y la ductilidad es baja. Si el acero al carbono se calienta a una temperatura bajo la crítica A1 (bajo 723°C), durante un tiempo variable, se obtienen durezas cada vez menores. Este tratamiento térmico es el revenido. Es decir, por revenido es posible reducir la fragilidad alcanzada en el temple y permite que el acero alcance una ductilidad mínima. Los aceros en general no se emplean en la condición de temple, ya que en ese estado la mayoría de las partes o piezas de acero serían demasiado frágiles y tendrían un alto nivel de tensiones internas. Las propiedades finales deseadas determinaran la temperatura (300-500°C) y el tiempo de calentamiento del revenido, para alcanzar las propiedades deseadas. En los aceros aleados al Cr, Mo, V y otros, es posible conseguir un segundo endurecimiento, al aumentar la dureza con el revenido, debido a la precipitación de carburos de estos elementos. 1.1.1. TRATAMIENTOS TERMO-QUÍMICOS Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión. Resumiremos la definición de los tipos tratamientos termoquímicos: 5.3.2.1 Cementación (C). Aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra


Semestre I, 2016


37

aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo. 5.3.2.2 Nitruración (N). Al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 ºC y 525 °C aproximadamente, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno. 5.3.2.3 Cianuración (C+N). Endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican entre 750 ºC y 950 °C aproximadamente. 5.3.2.4 Carbonitruración (C+N). Al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano, amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C aproximadamente, y es necesario realizar un temple y un revenido posterior. 5.3.2.5 Sulfinización (S+N+C). Aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorpora al metal por calentamiento, a la temperatura de 565 °C aproximadamente, en un baño de sales.


Semestre I, 2016


38

Experiencia N°6 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (E.N.D) 6.1 OBJETIVO DE LA EXPERIENCIA Conocer distintos tipos de ensayos no destructivos con sus respectivos procedimientos, aplicar principales END, elavorar informe acorde a los resultados obtenidos por procedimientos e inspecciones visuales posterior a la aplicacion de dichos ensayos. 6.2 CONSIDERACIONES GENERALES

Los ensayos no destructivos nos permiten obtener información acerca del objeto ensayado sin que éste experimente ningún deterioro, tanto durante, como al finalizar el ensayo. Por ello mediante estos ensayos, al contrario de lo que ocurre con los ensayos destructivos, se puede ensayar la totalidad de un lote de fabricación, con lo que se aumenta la seguridad, la calidad y la fiabilidad del producto. Estos ensayos son aplicables en cualquier fase del proceso productivo, incluso durante toda la vida útil del componente o pieza a ensayar, siendo de especial utilidad en la detección de grietas producidas por fatiga durante el servicio, evitando los riegos de una rotura prematura. Los ensayos pueden realizarse a cualquier tipo de material metálico así como a sus soldaduras, siendo sus principales aplicaciones la construcción de recipientes a presión, plantas petroquímicas, centrales eléctricas y nucleares, sector del transporte (cisternas, ferrocarriles, industria naviera) y obra civil (estructura metálica y puentes). 6.2.1 CORROSION

La corrosión es el principal enemigo de toda estructura, puesto que, de no protegerse el sustrato en forma adecuada inevitablemente se producirá un desgaste prematuro del material que puede llevar al colapso de la misma. Este fenómeno se puede presentar en distintas formas según sea su mecanismo de acción y los principales tipos de corrosión son: 6.2.1.1 Galvánica (unión por metales distintos) La corrosión galvánica se produce cuando un líquido conductor eléctrico (electrolito) y dos materiales metálicos diferentes están en contacto. El metal menos noble (ánodo) se desgasta y el más noble (cátodo) se protege.


Semestre I, 2016


39

6.2.1.2 Por erosión Este tipo de corrosión se produce por un desgaste mecánico. El mecanismo de la erosión generalmente se atribuye a la remoción de películas superficiales protectoras, como por ejemplo, películas de óxido formadas por el aire, o bien, productos adherentes de la corrosión por efecto de un roce constante.

6.2.1.3 Por tensión El agrietamiento de corrosión por tensión ocurre en la estructura cristalográfica del metal con la influencia combinada del esfuerzo de tensión (aplicado o interno) y un entorno corrosivo. El material se puede agrietar sin deformaciones significativas ni deterioro obvio del material. A menudo, la corrosión por picaduras está asociada con fenómenos de grietas de corrosión por tensión. Las tensiones pueden ser el resultado de las cargas de agrietamiento debidas a la concentración de tensiones, o pueden estar provocadas por el tipo de tensiones residuales o de montaje desde la fabricación (por ejemplo, trabajo de enfriamiento); las tensiones residuales se pueden reducir mediante templado.


Semestre I, 2016


40

6.2.1.4 Pitting (por picadura)

La corrosión por picaduras es una forma localizada de ataques corrosivos. La corrosión por

picaduras forma agujeros u hoyos en la superficie del metal. Se perfora el metal, mientras que la

corrosión medida como pérdida de peso podría ser mínima. La velocidad de penetración puede

ser de 10 a 100 veces la de la corrosión general, dependiendo de la agresividad del líquido. Este

tipo de corrosión se produce más fácilmente en entornos estancados.

6.2.1.5 Bacteriana Este tipo de corrosión se localiza con mayor frecuencia en elementos de acero que están en contacto permanente con líquidos contaminados o petróleo que son los focos preferenciales de germinación del tipo de bacterias señaladas.


Semestre I, 2016


41

6.2.2 TIPOS DE GRIETAS

Superficial: se pueden detectar mediante inspección visual. Sub-superficial: se pueden detectar mediante partículas magnéticas, tintas

penetrantes. Internas: se pueden detectar mediante rayos X, ultrasonido.

6.2.3 TIPOS DE DISCONTINUIDADES

Alargadas: grietas, fisuras. Redondas: poros.

6.2.4 CARACTERISTICAS ACERO AL CARBONO

Su color característico es marrón. Tiene propiedades magnéticas. Mediante sulfato de cobre se puede detectar. Velocidad acústica es de 5920 m/s

6.2.5 CARACTERISTICAS ACERO INOXIDABLE

Su color característico es plateado. No tiene propiedades magnéticas. Velocidad acústica es de 5660 m/s

6.2.6 CONCEPTOS IMPORTANTES

Linning: es una placa de acero inoxidable que se coloca por sobre el acero al carbono para proteger de la corrosión.

Overlay: es la superposición de soldadura, su función es proteger el material base. Cladding: acero al carbono por fuera e inoxidable por dentro.

6.3 Tipos de END

6.3.1 Inspección Visual (VT): esta es una técnica que requiere de una gran cantidad de

información acerca de las características de la pieza a ser examinada, para una aceptada interpretación de las posibles indicaciones. Esta ampliamente demostrado que cuando se aplica correctamente como inspección preventiva, detecta problemas que pudieran ser mayores en los pasos subsecuentes de producción o durante el servicio de la pieza.

6.3.2 Líquidos penetrantes (PT): La inspección por líquidos penetrantes es un tipo de ensayo no destructivo que se utiliza para detectar e identificar discontinuidades presentes en la superficie de los materiales examinados. Generalmente se emplea en aleaciones no


Semestre I, 2016


42

ferrosas, aunque también se puede utilizar para la inspección de materiales ferrosos cuando la inspección por partículas magnéticas es difícil de aplicar. En algunos casos se puede utilizar en materiales no metálicos. El procedimiento consiste en aplicar un líquido coloreado o fluorescente a la superficie en estudio, el cual penetra en cualquier discontinuidad que pudiera existir debido al fenómeno de capilaridad. Después de un determinado tiempo se remueve el exceso de líquido y se aplica un revelador, el cual absorbe el líquido que ha penetrado en las discontinuidades y sobre la capa del revelador se delinea el contorno de éstas. Las aplicaciones de esta técnica son amplias, y van desde la inspección de piezas críticas como son los componentes aeronáuticos hasta los cerámicos como las vajillas de uso doméstico. Se pueden inspeccionar materiales metálicos, cerámicos vidriados, plásticos, porcelanas, recubrimientos electroquímicos, entre otros. Una de las desventajas que Ensayos no Destructivos Página 6 presenta este método es que sólo es aplicable a defectos superficiales y a materiales no porosos.

6.3.3 Partículas Magnéticas (MT): La prueba de partículas magnéticas es un método de prueba

no destructivo para la detección de imperfecciones sobre o justamente debajo de la superficie de metales ferrosos que también se puede aplicar en soldadura. Es una técnica rápida y confiable para detección y localización de grietas superficiales. Un flujo magnético es enviado a través del material y en el lugar de la imperfección se forma un campo de fuga que atrae el polvo de hierro que se rocía sobre la superficie, así la longitud de la imperfección puede ser determinada de forma muy confiable. Criterios de aceptación definen si la indicación es o no aceptable, es decir si se trata de un defecto o no. En el ensayo no destructivo de partículas magnéticas inicialmente se somete a la pieza a inspeccionar a una magnetización adecuada y se espolvorea partículas finas de material ferromagnético. Es un tipo de ensayo no destructivo que permite detectar discontinuidades superficiales y sub-superficiales en materiales ferro-magnéticos. Se


Semestre I, 2016


43

selecciona usualmente cuando se requiere una inspección más rápida con los líquidos penetrantes.

6.3.4 Medicion de espesor (ME): El empleo de esta técnica de inspección no destructiva permite la medición de espesor de materiales metálicos y no metálicos, la gama de necesidades es muy amplia y va desde la medición de acero en planchas, tuberías, superficies con alta temperatura, medición de materiales no ferrosos, piping HDPE, polímeros o determinación de desgaste del sustrato por corrosión, etc.

Documents

Guía de Laboratorio Completa