PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

CAPITULO I

1.GENERALIDADES.

• 1.1 CONCEPTOS GENERALES.

MATERIA. Sustancia, extensible, divisible, e impenetrable, susceptible de toda clase de formas y tamaños. A la materia también se lo puede definir, como “todo aquello que es la causa permanente de todas nuestras sensaciones".

MATERIAL. Es todo aquello de lo que están hechas las cosas.

CIENCIA DE LOS MATERIALES

Búsqueda de conocimientos básicos sobre: estructura

interna, propiedades y procesado de los materiales.

INGENIERIA DE LOS MATERIALES

Uso y aplicación de conocimientos básicos de los materiales, para convertirlos

en productos necesarios para la sociedad.

CIENCIA E INGENIERIA DE

LOS MATERIALES

Fig. 1.1 RELACION ENTRE CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES

1.2 CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES.

1.3 EVOLUCION EN EL USO DE MATERIALES.

FIG. 1.2 EVOLUCION DE LOS MATERIALES EN EL TIEMPO

1.4 DISEÑO DEL PRODUCTO, PROCESO DE FABRICACION Y SELECCION DE MATERIALES.

DISEÑO DEL PRODUCTO

DISEÑO DEL PROCESO

DISEÑO DEL EQUIPO

SELECCION DEL MATERIAL

Fig. 1.3 RELACION ENTRE DISEÑO DEL PRODUCTO, DISEÑO DEL PROCESO Y SELECCIÓN DEL MATERIAL

1.5 TENDENCIA DE LA PRODUCCION DE MATERIALES EN EL MUNDO

Fig. 1.4 PRODUCCION ANUAL EN TONELADAS METRICAS “VS” COSTO DE PRODUCCION POR TN.

2. TIPOS DE MATERIALES

Desde el punto de vista de ingeniería, los materiales se clasifican en:

a) Materiales metálicos.

b) Materiales cerámicos.

c) Materiales poliméricos.

d) Materiales semiconductores.

e) Materiales compuestos.

2.1 MATERIALES METALICOS.

Ejemplo: Materiales elementales, tales como: Fe, Cu, Al, Mg, Mn, Cr, V, W, Co, Ti, Ag, Au, Pt, Pb, Sn, Zn

Fig. 1.5. MATERIALES METALICOS MAS USADOS

ALEACIONES• Fe y aleaciones.

Aceros.

- Fe + C Aceros al carbono

- Fe + C + aleantes Aceros aleados Fundiciones.

- Ordinarias: Grises, blancas y atruchadas.- Especiales: Dúctiles de alta resistencia y

maleables (hierro nodular).- Aleadas.

Ferroaleaciones.

Fig. 1.6 PRODUCTOS ESTANDAR DE ACERO

ALEACIONES DE FIERRO - ACERO

Fig. 1.7. APLICACIONES DE ACERO ESTRUCTURAL

• Al y aleaciones.

Llamadas aleaciones ligeras. Alta resistencia y bajo peso, ideal para aplicaciones aeronáuticas. Son llamadas también duraluminios, el Al se alea con Cu, Zn, Mg, Mn, Si, Fe.

• Cu y aleaciones. Cu + Zn Latones. Cu + Sn Bronces. * Ni + Cu Monel (aleación de Ni) Cu + Zn + Ni Alpaca.

• Mg y aleaciones.

Llamadas aleaciones superligeras, dado que tienen menor peso que las aleaciones de aluminio.

Fig. 1.8 APLICACIONES DE ALEACIONES METALICAS

• BRONCES Y LATONES• NIPLES DE CONEXIONES PARA AIRE Y GAS INSTRUMENTOS MUSICALES

• ALEACIONES DE ALUMINIO• MONOBLOCK DE MOTOR DE COMBUSTION INTERNA AVION MILITAR

Fig. 1.9. ALEACIONES DE ALUMINIO APLICADOS EN AVIONES MILITARES Y COMERCIALES

• Ni y aleaciones.

Llamadas INCONEL, tienen alta resistencia mecánica y al calor, propiedades similares a las de los aceros.

• Ti y aleaciones.

Aleaciones para aplicaciones aeronáuticas, álabes de turbina, palas y discos del ventilador, clavos de prótesis.

• Co y Aleaciones.

Aleaciones utilizadas para elementos de prótesis quirúrgicas, insertos de herramientas de corte.

Fig. 1.10 MOTOR AUTOMOTRIZ – APLICACIONES DE ALEACIONES METALICAS

Fig. 1.11 MOTOR PRATT & WHITNEY F 100 PARA UN AVION F 15 - EAGLE APLICACION DE SUPERALEACIONES.

• Aleaciones de Fe, Ni, Co, Ti, W.

Llamadas superaleaciones, debido a sus extraordinarias propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y altas la temperaturas usadas en aplicaciones especiales de investigación espacial y del fondo marino.

• Aleaciones antifricción.

Aleaciones complejas, empleadas para revestir cojinetes entre estos metales tenemos: Sn, Pb, Cd, Al, Cu, Sb, Ag, Ni, As.

• Metales preciosos.

Tales como: Oro, plata, platino, de aplicación industrial en contactores en circuitos electrónicos, por sus excelentes propiedades de conductividad y resistencia a la corrosión, amplio uso en joyería.

PLATA ORO

PLATA Y COBRE PLATINO

Fig. 1.13. METALES PRECIOSOS

2.2 MATERIALES CERAMICOS.

A los materiales cerámicos los podemos clasificar en:

a. Cerámicos tradicionales.b. Cerámicos de ingeniería.

A. CERAMICOS TRADICIONALES

Fig. 1.14 CERAMICA UTILITARIA DE DIFERENTES CULTURAS

1.15 CERAMICA UTILITARIA – DIFERENTES CULTURAS

Fig. 1.16. CERAMICOS MENAJE UTILITARIO

Fig.1.17 MATERIALES CERAMICOS TRADICIONALES UTILIZADOS EN CONSTRUCCION CIVIL.

Fig. 1.18 CERAMICOS PARA LA CONSTRUCCION DE VIVIENDAS

B. CERAMICOS DE INGENIERIA.

Ejemplos: Carburo de Silicio usado en la fabricación de rotores, álabes de turbina y toberas de flujo; Nitruro de Silicio en rotores de turbina; Silicato de Aluminio en discos del generador (proyecto de General Motors – Allison Gas Turbina).

Fig.1.19 MATERIALES CERAMICOS DE INGENIERIA – DISCOS DE FRENO DE CARBURO DE SILICIO

Fig. 1.20. INSERTOS PARA HERRAMIENTAS DE CORTE POR MECANIZADO EN CARBURO DE SILICIO

Fig. 1.14. COMPONENTES DE RODAMIENTOS EN NITRURO DE SILICIO.

Fig. 1.21. APLICACIONES DE CERAMICOS DE INGENIERIA

Fig. 1.23. BUJIA DE ENCENDIDO DE MOTOR DE COMBUSTION INTERNA

2.3 MATERIALES POLIMERICOS.

a)Son materiales mayormente artificiales, dentro de los cuales los mas conocidos son los plásticos y los elastómeros.

Los plásticos a su vez pueden ser: (a) termoestables y (b) termo deformables.

Ejemplos: El polietileno n(C2 H4), al cual para obtener el Acrílico se le adiciona O2, para el Nylon se adiciona N, para las siliconas Si; entre otros polímeros de aplicaciones muy difundidas, tenemos : Etileno vinil acetato (EVA),Polietileno de baja densidad (LDPE), Polietileno de alta densidad (HDPE), Polipropileno (PP),Poliestireno (PS), Policloruro de vinilo flexible (FPVC), Policloruro de vinilo rígido (RPVC),Poliuretano, Resinas epóxicas. Resinas alquídicas.

1.24 MATERIAL POLIMERICO NATURAL – JEBE O SHIRINGA

1.25 MATERIAL POLIMERICO ARTIFICIAL - PLASTICO

Fig. 1.26. APLICACIONES DE POLIMEROS

Para aplicaciones especiales, tenemos : Las poliamidas (Kevlar muy alta resistencia a la tensión y compresión), poliacetonas (Polidietercetona termoplástico resistente a temperaturas medias, usado como base de circuitos impresos), el teflón, el rayón, el poliéster, la bakelita, etc., estos materiales pueden ser usados como fibras o partículas en materiales compuestos.

1.27 MATERIAL POLIMERICO ARTIFICIAL – DE INGENIERIA /FIBRA POLIESTER

2.4 MATERIALES SEMICONDUCTORES.

Entre estos materiales tenemos por ejemplo: el Si, Cd, Ga, Sn, compuestos químicos como el Arseniuro de galio usado como rectificador de corriente a altas temperaturas y como material para cristales láser; el Sulfuro de cadmio usado en celdas solares, el Oxido de Zinc como fósforo para pantallas de televisores, Antimoniuro de aluminio (AlSb), Arseniuro de aluminio (AlAs), Nitruro de aluminio (AlN), Fosfuro de aluminio (AlP), Nitruro de boro (BN),Fosfuro de boro (BP), etc.

1.28 MATERIALES SEMICONDUCTORES – USADOS EN COMPONENETES ELECTRONICOS

1.28 MATERIALES SEMICONDUCTORES – USADOS EN COMPONENTES ELECTRONICOS

Fig. 1.29 MATERIALES SEMICONDUCTORES – ENSAMBLE DE UNA TARJETA ELECTRONICA

Fig.1.30 TARJETA ELECTRONICA CON MATERIALES POLIMERICOS Y SEMICONDUCTORES

2.5 MATERIALES COMPUESTOS.Entre estos materiales podemos mencionar los

siguientes: mampostería, maderas reforzadas, concreto armado, fibras de carbono con resina epóxica (fabricación de flaps y alerones, en aeronaves), fibra de boro con resina epóxica (usado en fuselaje del avión invisible), kevlar, nylon, poliéster + pegamento o resina epóxica, usados en aeronáutica civil y militar.

Estas mismas fibras, pueden ser usadas con almas metálicas de aleaciones de Al, Mg, Ti, para formar estructuras tipo sándwich.

Estos materiales, también son usados en artículos deportivos de poco peso y gran resistencia mecánica, como raquetas de tenis, palos de golf; tablas de surfing, motonaves, también se usa el teflón y lámina de acero en menaje de cocina, fibra de vidrio y almas metálicas en partes automotrices, fibras naturales combinadas con fibras sintéticas en la industria del vestir; mezclas asfálticas con hormigón, y muchos otros mas.

Las propiedades de estos son muy variadas dependiendo de los materiales que intervienen para su conformación.

Fig.1.31 CONFORMADO DE UN MATERIAL COMPUESTO

Fig.1.32 CONFORMADO DE UN MATERIAL COMPUESTO USADO EN AERONAUTICA

1.22 AVION COMERCIAL BOEING 737 – CON APLICACIONES DE ALEACIONES METALICAS Y MATERIALES COMPUESTOS (FLAPS Y

ALERONES)

1.34 TRANSBORDADOR ESPACIAL CHALLENGER - CON APLICACIONES DE ALEACIONES METALICAS CERAMICAS Y

MATERIALES COMPUESTOS (RECUBRIMIENTO DE FUSELAJE).

1.35 LOSETA DE REVESTIMIENTO DEL FUSELAJE DEL TRANSBORDADOR ESPACIAL CHALLENGER - APLICACIONES DE ALEACIONES CERAMICAS Y MATERIALES

COMPUESTOS.

3. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

3.1 PROPIEDADES MECANICAS.COHESION. ELASTICIDAD

PLASTICIDAD. maleabilidad ductilidad.

3.2 PROPIEDADES TERMICAS.las que pueden ser valoradas por: el coeficiente de conductividad calórica, calor específico, capacidad calorífica, coeficiente de dilatación (lineal, superficial, cúbica), punto de fusión, punto de ebullición, temperatura de cambio de fase.

3.3 PROPIEDADES MAGNETICAS.

las mismas que pueden ser medibles a través de: Densidad de flujo (inducción magnética), permeabilidad magnética, susceptibilidad magnética, intensidad de campo magnético, envejecimiento magnético.

Según su capacidad de magnetización los materiales pueden ser:

a) Ferromagnéticos: Entre los cuales tenemos, el Fe, Ni, Co, que son materiales que poseen una gran capacidad de magnetización o imantación.

b) Paramagnéticos: Entre los cuales tenemos, el O2, Pt, Na, Al, Ca, Ti; que son materiales que presentan capacidad de magnetización débil.

c) Diamagnéticos: Son materiales que repelen las líneas de fuerza magnética y no se magnetizan, como por ejemplo: Cd, Cu, Ag, Sn, Zn, la madera, polímeros, cerámicos.

3.4 PROPIEDADES ELECTRICAS. Las propiedades eléctricas de los materiales

pueden medirse por: la conductividad, resistencia, capacitancia, inductancia, impedancia, etc. En los materiales metálicos se observa que la resistencia eléctrica aumenta al aumentar la temperatura.

Los mecanismos que explican la corriente eléctrica son:

a) Movimiento de iones. Cuando los materiales se forman iones positivos o cationes (+) y iones negativos o aniones (-) por la transferencia de electrones

b) Movimiento de electrones. Se produce cuando los electrones se desplazan dentro de la nube electrónica, en las llamadas bandas de valencia, esto es característico de los materiales metálicos.

c) Por los huecos electrónicos. Es la que se produce cuando un electrón deja su lugar y este es ocupado por otro electrón produciéndose un flujo de electrones por este movimiento.

3.5 PROPIEDADES QUIMICAS.

Las propiedades químicas de los materiales, las podemos cuantificar mediante: número atómico, peso atómico, número de valencia, densidad, gravedad específica, peso molecular, molaridad, normalidad, molalidad, entre otras.

3.6 PROPIEDADES OPTICAS.

estas pueden ser medibles por la transmitancia, transparencia, índice de refracción, índice de reflexión, índice de absorción, grado de opacidad entre otros.

4. ENSAYOS.

Desde el punto de vista de Ingeniería, a los ensayos los podemos clasificar de la siguiente manera

4.1 CLASIFICACION DE LOS ENSAYOS.

A.- ENSAYOS DE CARACTERISTICAS.1. De composición: Composición química. Fotocolorimétricos. Espectográficos. Chispas.

2. De estructuras: Cristalina. Micrográfica (grano). Macrogáfica (fibra).

3. Análisis térmico: Temperaturas de fusión. Temperaturas de transformación.

4. Constitución: Metalográficos.

B.- ENSAYOS DE PROPIEDADES MECANICAS (DESTRUCTIVOS).

1. Estáticos: Tracción en frío y caliente. Fluencia. Compresión. Pandeo. Flexión estática. Torsión. Dureza.

2. Dinámicos: Resistencia al choque. Desgaste. Fatiga.

C.- ENSAYOS DE CONFORMADO. Doblado. Embutición. Forja. Corte. Punzonado.

D.- ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (END O PND) Magnéticos. Líquidos penetrantes. Electromagnéticos. Por corriente de foucalt. Sónicos. Ultrasónicos. Macroscópicos. Por rayos "x “ Por rayos Gamma.

4.2 PRINCIPALES ENSAYOS MECANICOS.

4.2.1 DUREZA.

CLASIFICACION DE LOS ENSAYOS DE DUREZA1. Ensayos por rayado.

a) Ensayo Marten (escala de Mohs).b) Limado.

2. Ensayos por identación estática.a) Ensayo Brinell.b) Ensayos Rockwell.

b.1 Normal.b.2 Superficial

c) Ensayo Vickers.d) Ensayo Knoop.

3. Ensayo dinámico por impacto o rebote.a) Ensayo Shore (escleroscopio).

Entre otros ensayos de dureza para aplicaciones especifica. Tenemos:

4. Ensayo Leeb (HL). (durómetro portátil - rebote)6. Ensayo Shore modificado (aplicado a polímeros).7. Ensayo Barcol (aplicado a plásticos).8. Ensayo por cepillado o rasurado (Plowing Test).

Ensayo Bierbaum. 9. Ensayo por amortiguamiento (Camping Test).

Ensayo Herbert. 10. Ensayo por corte (Cutting Test).11. Ensayo por abrasión.12. Ensayo por erosión.

A. DUREZA POR RAYADO.

Nº DUREZA MATERIAL

1 Talco

2 Sal gema

3 Calcita

4 Flourita

5 Apatita

6 Feldespato

7 Cuarzo

8 Topacio

9 Corindón

10 Diamante

TABLA Nº 1.1 ESCALA DE MOSH

B.DUREZA A LA PENETRACION.

B.1 METODO BRINELL. (INGENIERO SUECO – 1900)

fD

PHB

.bolalade

npenetraciodeofundidadPrf

.huellaladeDiámetrod

.bolaladeDiámetroD

)dDD(2D

PHB

22

Fig. 1.36 PENETRADOR BRINELL

)(mmS

(kg)PHB

2

Ecuación que permite calcular la carga para el ensayo Brinell

P = K x D2

P : Carga en kg.K : Factor de acuerdo al tipo de material.D : Dímetro de la bola.

FACTORES DE CARGA

Hierro y aceros..................... K = 30Cobre, bronce y latones........ K = 10Aleaciones ligeras................. K = 5Estaño y plomo..................... K = 2,5

TABLA Nº 1.2 DIAMETRO DE LAS BOLAS Y CARGAS EMPLEADAS - METODO BRINELL

ESPESOR DE LA

PROBETA

Diámetro de la bola

mm

CONSTANTES DE ENSAYO K

30 10 5 2,5 1,25

CARGAS EN Kg

30 D2 10 D2 5 D2 2,5 D2 1,25D2

Superior a 6 mm 10 3000 1000 500 250 125

De 6 a 3 mm 5 750 250 125 62,5 31,2

Menor de 3 mm. 2,5 187,5 62,5 31,2 15,6 7,8

1,25 46,9 15,6 7,81 3,91 1,99

0,625 11,7 3,91 1,953 0,977 0,488

TABLA Nº 1.3 TIEMPOS PARA EL ENSAYO BRINELL

MATERIAL TIEMPO

Hierros y aceros 10 a 30 segundos

Cobre, bronces y latones

30 segundos

Aleaciones ligeras 60 a 120 segundos

Estaño y plomo 120 segundos

Materiales muy blandos

120 segundos

La denominación o nomenclatura de los ensayos se efectúa mediante el siguiente símbolo:

HB (D/P/T)

En el que:D : diámetro de la bola en mm.P : la carga en Kg.T : el tiempo de duración del ensayo en seg.

Así por ejemplo:

HB (10/3000/30)

Fig. 1.37 DUROMETRO BRINELL

TAB LA Nº 1.5 FACTORES PARA EL CALCULO DE LA RESISTENCIA A LA TRACCION PARTIENDO DEL NUMERO BRINELL

MATERIAL FACTOR

Acero al carbono 0,36

Acero aleado 0,34

Cobre y latón 0,4

Bronce 0,23

También puede obtenerse aproximadamente el contenido de carbono, para ACEROS AL CARBONO, si se conoce la dureza Brinell, mediante la fórmula:

14180

%HB

C

B.2 METODO ROCKWELL (1924)

PENETRADORESa) Un diamante en forma de cono de 120º ± 1º,

con la punta redondeada, con un radio de 0,2 ± 0,01 mm, que se denomina también penetrador Brale.

b) Bolas de 1/8" y 1/16" , aunque también, pero menos empleadas las de 1/2" y 1/4" .

Se utilizan cargas de 60, 100 y 150 Kg, para materiales gruesos y de 15, 30 y 45 para materiales delgados.

TABLA Nº 1.6 ESCALAS DE DUREZAS ROCKWELL (APRAIZ)

ESCALA DESIG-

NACION

TIPO DEPRUEBA

TIPO Y TAMAÑODEL PENETRADOR

CARGAMENOREN Kg

CARGAMAYOREN Kg

ESCALA DEL COMPARADOR APLICACIONES

COLOR COLOCACION

A Normal Cono de Diamante 10 60 Negro Fuera Aceros nitrurados, flejes estirados en frío, hojas de afeitar,.Carburos metálicos (90 a 98)

B Normal Bola de 1/16 “ 10 100 Rojo Dentro Aceros al carbono recocidos de bajo contenido de carbono.

C Normal Cono de diamante 10 150 Negro Fuera Aceros duros. Con dureza superior a 100 HRB o 20 HRC

D Normal Cono de diamante 10 100 Negro Fuera Aceros cementados.

E Normal Bola de 1/8 “ 10 100 Rojo Dentro Metales blandos, como antifricción y piezas fundidas

F Normal Bola de 1/16 “ 10 60 Rojo Dentro Bronce recocido

G Normal Bola de 1/16 “ 10 150 Rojo Dentro Bronce fosforoso y otros metales.

H Normal Bola de 1/8 “ 10 60 Rojo Dentro Metales blandos con poca homogeneidad, fundición de hierro.

K Normal Bola de 1/8 “ 10 150 Rojo Dentro Metales duros con poca homogeneidad, fundición de hierro.

L Normal Bola de ¼ “ 10 60 Rojo Dentro Metales duros con poca homogeneidad, fundición de hierro.

M Normal Bola de ¼ “ 10 100 Rojo Dentro Metales duros con poca homogeneidad, fundición de hierro.

P Normal Bola de ¼ “ 10 150 Rojo Dentro Metales duros con poca homogeneidad, fundición de hierro.

R Normal Bola de ½ “ 10 60 Rojo Dentro Metales muy blandos.

S Normal Bola de ½ “ 10 100 Rojo Dentro Metales muy blandos.

V Normal Bola de ½ “ 10 150 Rojo Dentro Metales muy blandos.

15-N Superficial Cono de diamante 3 15 Rojo Dentro Aceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza.

30-N Superficial Cono de diamante 3 30 Rojo Dentro Aceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza.

45-N Superficial Cono de diamante 3 45 Rojo Dentro Aceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza.

15-T Superficial Bola de 1/16 “ 3 15 Rojo Dentro Bronce ,latón y acero blando

30-T Superficial Bola de 1/16 “ 3 30 Rojo Dentro Bronce ,latón y acero blando

45-T Superficial Bola de 1/16 “ 3 45 Rojo Dentro Bronce ,latón y acero blando

Fig. 1.38 ESQUEMA DE LOS ENSAYOS ROCKWELL A Y C

Nº ROCKWELL A ROCKWELL C

1 Angulo de la punta del diamante = 120º Angulo de la punta del diamante = 120 º

2 Radio de redondeo de la punta del cono 0,2 mm. Radio de redondeo de la punta del cono 0,2 mm.

3 Po Carga previa = 10 Kg (precarga) Carga previa = 10 Kg (precarga)

4 P1 Carga adicional = 50 Kg Carga adicional = 140 Kg

5 P Carga total = 60 Kg (P = Po + P1) Carga total = 150 Kg (P = Po + P1)

6 Penetración con la carga previa (punto de partida de la medición)

Penetración con la carga previa (punto de partida de la medición)

7 Penetración total actuando la carga adicional. Penetración total actuando la carga adicional.

8 f Penetración permanente después de quitar la carga adicional

Penetración permanente después de quitar la carga adicional

9 HRa óHRc

Dureza Rockwell A = 100 - f Dureza Rockwell C = 100 - f

Nº ROCKWELL B

1 D Diámetro de la bola

2 Po Carga previa = 10 Kg (precarga)

3 P1 Carga adicional = 90 Kg

4 P Carga total = 100 Kg (P = Po + P1)

5 Penetración con la carga previa (punto de partida de la medición)

6 Penetración total actuando la carga adicional.

7 e Penetración permanente después de quitar la carga adicional

8 HRb Dureza Rockwell B = 130 - f

Fig. 1.39 ESQUEMA DEL ENSAYO ROCKWELL B

Fig. 1.40 DUROMETRO ROCKWELL

B.3 METODO VICKERS (HV).

Fig. 1.41 EL ÁNGULO DE 136 º DE LA PUNTA PIRAMIDAL VICKERS ESTÁ ELEGIDA PARA QUE SEA LA HUELLA TANGENTE A

LA DE LA BOLA BRINELL.

.

Pr:

.arg:

854,1 2

mmen

leslasdiagonadeomediod

kgenaCP

d

PHV

Fig. 1.42 DUROMETRO VICKERS

B.5 DUREZA AL REBOTE METODO SHORE.

FIG. 1.43 DUROMETRO SHORE

B.4. MICRODUREZAS

:

VICKERS : procedencia de Europa.KNOOP : procedencia de U.S.A.

APLICACIONES.a) Precisión en la medición de dureza en piezas

pequeñísimas.b) Medición de dureza en puntas y alambres muy

delgados.c)Medir la dureza de capas superficiales carburadas,

nitruradas, carbonitruradas.d) Se puede medir la dureza en la sección de dichas

capas endurecidas. e) Medición de dureza de micro constituyentes, de

una aleación.f) Medir durezas en superficies descarburadas.g)Medición de durezas de capas superficiales de

electro deposición metálica, relleno metalizado o en piezas recuperadas por soldadura.

METODO KNOOP.

2dP

2,14HV

FIG. 1.44 ESQUEMA PENETRADOR Y HUELLA KNOOP

Donde:P = Carga aplicada en Kg.l = d = Longitud de diagonal mayor en mm.b = Longitud de diagonal menor en mm.t = Profundidad de la huella en mm.

• PROBLEMA• La profundidad de penetración del cono Brale, es de 0,124 mm, al medir la dureza de un acero al carbono, con un durómetro Rockwell, empleando la escala “c”, ¿Cuál es la dureza del acero, cuanto es su precarga y la carga total empleada en el durómetro?

• PROBLEMA.• Una barra de acero estirada en frío, tiene una dureza Brinell de 380 HB: Determine lo siguiente:

a) La carga ha utilizar para una bola de 10 mm de diámetro.

b) El diámetro de la huella dejada por el durómetro en el material.

c) La profundidad de la huella.

d) La tensión aplicada en psi y pascal.

4.1.2 TRACCION.

FIG. 1.45 PROBETAS DE TRACCION DE SECCION CIRCULAR

FIG. 1.46 PROBETAS SEGÚN NORMA DIN

L = Longitud calibrada de la probeta.S = Sección de la longitud calibrada de la probeta. K = Constante de proporcionalidad del sistema

SKL

FIG. 1.47 PROBETAS CIRCULARES SEGÚN NORMA ASTM

FIG. 1.48 PROBETAS RECTANGULARES SEGÚN NORMA ASTM

• PROBLEMA.• Una probeta estándar ASTM A370 de sección circular, la cual en su sección calibrada tiene un diámetro de 0,35 pulgadas y longitud calibrada (entre marcas) de 1,4 pulgadas, se tiene material suficiente para maquinar una probeta de 1,75 pulgadas de longitud calibrada (entre marcas), se desea saber cual será el diámetro de la sección calibrada de dicha probeta

FIG. 1.49 MAQUINA DE TRACCION AMSLER LABORATORIO FIM

FIG. 1.50 MAQUINA DE TRACCION TOKIOKOKY LABORATORIO FIC

4.1.3 CARACTERISTICAS DEL MATERIAL QUE SE DETERMINAN CON EL ENSAYO DE TRACCION

a) Curva de tracción.

b) Esfuerzo y deformación de Ingeniería.

c) Esfuerzo y deformación real.

d) Coeficiente de Poison.

e) Coeficiente de elasticidad.

f) Estricción.

g) Resilencia .

h) Tenacidad.

A. CURVA DE TRACCION

FIG. 1.51 CURVA DE TRACCION

FIG, 1,52 CONDICIONES DE LA PROBETA DURANTE EL ENSAYO DE TRACCION

= 200 MPa

ESFUERZO Y DEFORMACION EN INGENIERIA

B. ESFUERZO DE INGENIERIA (ing ,0 ).

0A

Fing

Donde:F = Fuerza uniaxial (N, Kg, lb)A0 = Area inicial (mm2, cm2, m2, pulg2.)

* Los esfuerzos en ingeniería se calculan empleando el área inicial de la probeta o espécimen.

• PROBLEMA.• Una barra de metal de 1,25 cm. de diámetro está sometida a una carga de 2500 Kg. Calcular el esfuerzo de tensión sobre la barra en mega pascales y psi.

C. DEFORMACION UNITARIA EN INGENIERIA ( ing , 0)

(magnitud adimensional)

Donde :

l 0 = Longitud inicial

l f = Longitud final (en un punto cualquiera)

l = lf – l0 = Elongación o estiramiento (deformación longitudinal)

La deformación también puede expresarse en porcentaje (%)

ing x 100 = % ing (porcentaje de alargamiento).

00

0

l

l

l

ll f

ing

D. COEFICIENTE DE POISON ().

Ideal = 0.5 Materiales reales = 0,25 a 0,4

Medio m = 0,3

z

y

z

x

allongitudin

lateral

E. MODULO DE ELASTICIDAD O MODULO DE YOUNG ( E).

Donde: = Esfuerzo (lbf / pulg2 o psi, Pa, kgf /cm2) = Deformación unitariaLos metales con alto módulo de elasticidad son relativamente rígidos y no se deforman fácilmente.

E

lA

lFE

0

MATERIAL MODULO DE ELASTICIDAD (E)

x 10 6 psi GPa

Aleaciones de aluminio 10,5 72,4

Cobre 16,0 110,0

Acero ordinario baja aleación 29,0 200,0

Acero inoxidable 28,0 193,0

Titanio 17,0 117,0

Wolframio 58,0 400,0

TABLA 1.7 MODULO DE ESLASTICIDAD DE ALGUNOS MATERIALES

F. ESFUERZO DE PROPORCIONALIDAD (p)

G. ESFUERZO LIMITE ELASTICO (ESFUERZO DE

FLUENCIA O DE CEDENCIA). (f)

FIG, 1,54 METODO OFFSET PARA DETERMINAR EL PUNTO DE FLUENCIA

H. ESTRICCION (ψ).

:

Donde : A0 = Área inicial. Af = Área final.

El % de alargamiento y % de estricción es una medida de la ductilidad del metal y nos da una idea de calidad del mismo.

1000

0 xA

AA f

FIG, 1,55 ESTRICCION DURANTE EL ENSAYO DE TRACCION

nT TK LEY DE HOLLOMON

nT TK

I. ESFUERZO REAL (real).

.

Donde :Fm = Fuerza uniaxial media sobre la probeta Ai = Area de la muestra de sección mínima

en un instante.

i

mreal A

F

.

ingingreal 1

J. DEFORMACION REAL (real).

Es la deformación instantánea que sufre el material (probeta) al aplicársele la carga.

Considerando el volumen constante.

, Si A0 l0 = Ai li

i

real AA0ln

il

l

ireal l

llld

00

ln

i

i

i

i

A

A

l

l

A

A

l

l 0

0

0

0

lnln

ingreal 1ln

FIG, 1,56 CURVA DE INGENIERIA Y REAL

K. RESILENCIA DEL MATERIAL EN TRACCIÓN.(R)

.

Donde: p : esfuerzo de proporcionalidad.p : deformación unitaria de proporcionalidad

2ppR

L. TENACIDAD (T).

Donde : p : Esfuerzo de proporcionalidad.mx : Esfuerzo Máximo.R : Esfuerzo de rotura.R : Deformación unitaria de rotura.

RRmxpT

3

M. FACTOR DE SEGURIDAD (fs).

f : Esfuerzo de fluencia. d : Esfuerzo de diseño.

d

fsf

..

• PROBLEMA• Se usa una barra de acero al carbono SAE 1040 de 20

mm de diámetro, como un elemento estructural de ingeniería. La longitud de la barra no forzada es 1 m, la carga estructural sobre la barra es de 9 x 10 4 N en tensión, E = 200 GPa, y Resistencia a la fluencia 600 MPa.

• a) ¿Cuál será la longitud de la barra bajo esta carga estructural?

• b) Se desea incrementar la carga de tensión sobre la barra ¿Cuál es la tensión máxima que puede permitirse sin producir deformación plástica extensiva en la barra?

• SOLUCION.Carga aplicada: 9 x 104 N (F).Diámetro inicial: 20 mm (d0).Longitud de la barra no forzada : 1 m (l0).

Resistencia a la fluencia : 600 Mpa (f).Modulo de elasticidad E = 200 Gpa.

• a) Longitud de la barra con la carga aplicada.

Para

Reemplazando

2422

0 m10x1415.34

m020,04d

A

lxAlxF

E 0

lxm10x1415,3

m1xN10x9Pa10x200

24

49

m001432.1m001432,0m1llll f0f m001432,0l

lf = 1,001432 m

• b) Tensión máxima que puede permitirse en la barra sin producir de formación plástica.

El límite elástico es el máximo considerado (límite de fluencia) en deformación elástica.

N10x85,18Fm10x1415.3

FMPa600 4

f24f

f

0

ff A

F

Nº CARGA (Kgf) l (mm)

1 1200 0.6

2 1800 0.9

3 2400 1.2

4 3000 1.65

5 3600 1.80

6 4500 2.00

7 3800 2.22

8 2700 2.66

PROBLEMA.Los siguientes datos corresponden a una probeta de acero SAE 1045 en estado normalizado, la cual ha sido sometida a un ensayo de tracción. El diámetro inicial es 8 mm y la longitud calibrada de 50 mm, E = 2 x 105 kgf/cm2. Determinar:a) La curva de ingeniería.b) El esfuerzo en el límite de proporcionalidad (elástico).c) El esfuerzo de fluencia aparente o convencional.d) El esfuerzo de trabajo (calculado) considerando un factor

de seguridad de 1,5.e) Calcule la resilencia.f) Calcule la tenacidad.g) El K geométrico para la probeta.

4.1.3. ENSAYO DE IMPACTO

Las probetas tienen entalladuras circulares o en "V". Para probetas CHARPY con entalladuras circulares, las dimensiones son las siguientes.

Longitud................................55 0,3 mm.Los lados de la sección........10 0,1 mm. Entalladura……………………2mm x 45ºLa temperatura de la probeta en elmomento del ensayo deberá ser....20 5 ºc.Posición de probeta ensayo Charpy : Horizontal.Posición de probeta ensayo Izood : Vertical

FIG, 1,57 ENSAYO DE IMPACTO CHARPY

• Para realizar el ensayo de los distintos materiales bajo la acción de este esfuerzo se emplea generalmente a las mismas comportándose como vigas simplemente apoyadas, con la carga concentrada en un punto medio (flexión practica u ordinaria).

• En estas condiciones además de producirse el momento de flexión requerido, se superpone a el un esfuerzo cortante, cuya influencia en el cálculo de la resistencia del material varia con la distancia entre apoyos, debido a que mientras los momentos flectores aumentan o disminuyen con esta, los esfuerzos cortantes se mantienen constantes.

4.1.3. ENSAYO DE FLEXION

FIG, 1,58 ENSAYO DE FLEXION

ECUACION PARA DETERMINAR EL MODULO DE ELASTICIDAD

fI

LFE

48

Donde: L : Longitud entre apoyosF : Cargas de flexión I : Momento de Inerciaf : Flecha.