Ciencia de Los Materiales - Materiales

UNIVERSIDAD NACIONAL DE UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

DEPARTAMENTO DE DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE CIENCIAS DE INGENIERIAINGENIERIA

CURSO CURSO

CIENCIA DE LOS CIENCIA DE LOS MATERIALES IMATERIALES I

MC 114MC 114

PROPIEDADES DE LOS PROPIEDADES DE LOS MATERIALESMATERIALES

CAPITULO ICAPITULO I

1. GENERALIDADES.

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

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

nuestras sensaciones".

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.

Los materiales modernos en su mayoría son tan complejos, que se han aprendido a usar mas por arte que por ciencia. Para llegar a este punto, los materiales han tenido que pasar por un largo proceso evolutivo, tanto en el uso como en la obtención de los mismos, a continuación mostraremos un diagrama secuencial del uso y descubrimiento de los materiales.

FIG. 1.2 EVOLUCION DE LOS MATERIALES EN EL TIEMPO

1.4 DISEÑO DEL PRODUCTO Y SELECCION DE MATERIALES.

La relación que existe entre el diseño de un producto y la selección de materiales es tan estrecha, que esta se concentra en las interacciones entre el diseño del producto, del proceso de fabricación y su influencia en la selección 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

En el cuadro de la Fig.1.4, podemos observar que la tendencia mundial es usar en mayores cantidades materiales como: el concreto, madera, ladrillos, acero; los cuales se usan masivamente, debido a sus bajos costos de producción, en comparación con otros materiales como las aleaciones, de aluminio, titanio, aceros especiales, fibras poliméricas especiales, como la fibra de carbono, Kevlar, y en general los materiales compuestos cuyos costos de producción son elevados y su producción es menor.

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

2. TIPOS DE MATERIALES

Desde el punto de vista de ingeniería a los materiales los podemos clasificar de la siguiente manera:

2.1 MATERIALES METALICOS.

Son materiales entre cuyas características principales tenemos:

a) Tienen estructura cristalina en el estado sólido, la que define otras propiedades, como la cohesión, elasticidad, plasticidad, y estas a su vez la ductilidad y maleabilidad.

b) Son buenos conductores de la electricidad y el calor.

c) Poseen brillo metálico.

d) En estado natural la mayoría de ellos se encuentran formando óxidos, sulfatos, etc., en las menas que se extraen de los asientos mineros, por lo cual estos materiales tienen gran tendencia de regresar a su estado natural, a través de la corrosión.

e) También encontramos en la naturaleza algunos metales en estado puro, tales como el oro, plata, platino, cobre, que son los llamados metales nobles, una de cuyas propiedades es de ser resistentes a la corrosión.

f) A temperatura normal o ambiente se encuentran en estado sólido a excepción del mercurio. Entre los principales metales de uso industrial tenemos el hierro, aluminio, magnesio, cobalto, zinc, cobre, plomo, oro, plata, estaño, níquel.

1.5 MOTOR AUTOMOTRIZ – APLICACIONES DE METALES Y SUS ALEACIONES

1.6 MOTOR DE AVION F22 RAPTOR – APLICACIÓN DE ALEACIONES METALICAS

1.7 AVION MILITAR F22 RAPTOR – APLICAIONES DE ALEACIONES METALICAS

2.2 MATERIALES CERAMICOS.

Son aquellos materiales cuya característica principales son :

a) Resistentes a altas temperaturas.b) Algunos de ellos poseen estructura cristalina.c) Son frágiles y tienen elevada dureza. d) Malos conductores de la corriente y el calor.e) Tienen bajo peso, reducida fricción, f) Tienen alta resistencia a cargas estáticas.g) Resistentes al calor y la humedad, por lo cual

son usados para fabricar aislantes eléctricos, materiales compuestos y aislantes térmicos,

h) Resistentes a la corrosión.

Generalmente los materiales cerámicos de importancia están formados por compuestos químicos de al menos un elemento metálico y uno de los cinco elementos no metálicos siguientes : Carbono, Oxigeno, Nitrógeno, Azufre, Fósforo; además de otro elemento muy importante que es el Silicio. Actualmente se están usando algunos materiales cerámicos como materiales estructurales, tales como él: Carburo de Silicio que es 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).

1.8 CERAMICA UTILITARIA DIFERENTES CULTURAS

1.9 CERAMICA UTILITARIA – DIFERENTES CULTURAS

1.10 MATERIALES CERAMICOS TRADICIONALES UTILIZADOS EN CONSTRUCCION CIVIL.

1.11 MATERIALES CERAMICOS DE INGENIERIA – DISCOS DE FRENO DE CARBURO DE SILICIO

2.3 MATERIALES POLIMERICOS.

Son aquellos materiales entre cuyas características principales tenemos :

a) Son materiales malos conductores de la electricidad.

b) Tienen alta resistencia a la humedad y la corrosión.

c) Estos son llamados el impacto tecnológico moderno sobre la vida diaria, debido a su gran desarrollo y a la diversidad de aplicaciones, en todos los ámbitos tecnológicos, haciendo más cómodas y económicas sus aplicaciones.

d) Son materiales mayormente artificiales, dentro de los cuales los mas conocidos son los plásticos y elastómeros; que están formados por una cadena larga de una molécula básica llamada monómero o “Mer”. Por ejemplo el Polietileno, el cual es una cadena larga de moléculas de etileno n (C2 H4), al cual para obtener el Acrílico se le adiciona O2, para el Nylon se adiciona N, para las siliconas Si; otros polímeros de aplicaciones muy difundidas, tenemos : El Kevlar, la Polidietercetona (usado como base de circuitos impresos), el teflón, el benceno, el poliuretano, etc., estos materiales son usados como fibras o partículas en materiales compuestos.

MATERIALES POLIMERICOS MAS USADOS.a)Etilen vinil acetato (EVA).b)Polietileno de baja densidad (LDPE).c)Polietileno de alta densidad (HDPE).d)Polipropileno (PP).e)Poliestireno (PS).f) Policloruro de vinilo flexible (FPVC).g)Policloruro de vinilo rígido (RPVC).h)Poliuretano.i) Melamina.j) Resinas epóxicas.k)Resinas alquídicas.l) Nylon.

1.12 MATERIAL POLIMERICO NATURAL – JEBE O SHIRINGA

1.13 MATERIAL POLIMERICO ARTIFICIAL - PLASTICO

1.14 MATERIAL POLIMERICO ARTIFICIAL – DE INGENIERIA /FIBRA POLIESTER

2.4 MATERIALES SEMICONDUCTORES.

Sus características principales son :a) Son materiales que no son buenos conductores

de la electricidad pero tampoco son buenos aislantes.

b) El desarrollo de estos materiales han permitido que la electrónica en los últimos años haya alcanzado un avance espectacular, en las tecnologías de punta, que ha permitido la confección de complejos circuitos en áreas muy reducidas, del orden de los milímetros y nanómetros (espesor de aislantes de 2 diámetros atómicos).

c)Algunos de estos materiales a condiciones de muy bajas temperaturas, se convierten en materiales superconductores de la corriente.

Entre estos materiales tenemos por ejemplo: el Arseniuro de galio usado como rectificador de corriente a altas temperaturas y como material para cristales láser; el Sulfuro de cadmio usado en celdas solares, el Oxido de Zinc como fósforo para pantallas de televisores. Un material semiconductor muy importante es el Silicio puro, el cual es modificado por diversos caminos para cambiar sus propiedades eléctricas y electrónicas el cual es usado intensivamente en muchas aplicaciones de ingeniería.

1.15 MATERIALES SEMICONDUCTORES – COMPONENETES ELECTRONICOS

1.16 MATERIALES SEMICONDUCTORES – COMPONENTES ELECTRONICOS

1.15 MATERIALES SEMICONDUCTORES – ENSAMBLE DE UNA TARJETA ELECTRONICA

1.15 TARTJETA ELECTRONICA CON MATERIALES POLIMERICOS Y SEMICONDUCTORES

2.5 MATERIALES COMPUESTOS COMPOSITOS. En ingeniería también se conceptúa como

materiales compuestos a dos o más materiales distintos que difieren en forma y constitución química, insolubles entre si, que se combinan, para formar otro cuyas propiedades sean superiores o en algún modo mas importantes que la de sus componentes. 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), fibras de vidrio, 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, etc., entre otros materiales se usan también 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, y muchos otros mas.

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

3. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

3.1 PROPIEDADES MECANICAS.Las tres propiedades mecánicas

fundamentales de los materiales son: cohesión, elasticidad, plasticidad.

COHESION. Es la resistencia que oponen los átomos a separarse unos de otros. La cohesión se puede valorar mediante los ensayos de dureza.

ELASTICIDAD. Es la capacidad que tienen los materiales de recobrar su forma primitiva, cuando cesa la causa que los deforma.

PLASTICIDAD. Es la capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes, una vez que cesa la causa que la origina. Si esta capacidad para la deformación lo es especialmente para el adelgazamiento en forma de láminas delgadas, es llamada maleabilidad y si es en forma de hilos muy delgados se llama ductilidad. Estas propiedades son valoradas mediante el ensayo de tracción.

3.2 PROPIEDADES TERMICAS.

Relacionadas con la capacidad que tienen los materiales para poder trasmitir el calor, 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, calor es.

3.3 PROPIEDADES MAGNETICAS.

Relacionadas con la capacidad que tienen los materiales para poder magnetizarse o imantarse, creando campos magnéticos, 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:Ferromagnéticos: Entre los cuales tenemos, el Fe, Ni, Co, que son materiales que poseen una gran capacidad de magnetización o imantación.Paramagnéticos: Entre los cuales tenemos, el O2, Pt, Na, Al, Ca, Ti; que son materiales que presentan capacidad de magnetización débil.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 son una consecuencia de su estructura electrónica, haciendo que estos sean mayores o menores conductores de la corriente eléctrica.

Generalmente los materiales buenos conductores de calor son buenos conductores de la corriente eléctrica. Las propiedades eléctricas de los materiales pueden medirse por: la conductividad, resistencia, capacitancia, inductancia etc. En los materiales metálicos se observa que la resistencia eléctrica aumenta al aumentar la temperatura.

3.5 PROPIEDADES QUIMICAS.

Dadas en relación, a la capacidad que tienen los materiales de combinarse unos con otros (relación estequiométrica) para formar nuevos compuestos, tales como: óxidos, bases, ácidos, sales, sulfatos, entre otros; las propiedades químicas más importantes de los materiales tenemos : Número atómico, peso atómico, número de valencia, densidad, gravedad específica, peso molecular, molaridad, normalidad, molalidad, entre otras.

3.6 PROPIEDADES OPTICAS.

Capacidad de los materiales para absorber, refractar, reflejar, trasmitir la luz, las cuales pueden ser medibles por: la transmitancia, transparencia, índice de refracción, índice de reflexión, índice de absorción, grado de opacidad entre otros.

4. ENSAYOS.

Son una serie de procedimientos normalizados, que tienen por objeto, conocer o comprobar características y propiedades de los materiales, descubrir defectos en las piezas fabricadas o fallas en las piezas que han trabajado un tiempo determinado.

4.1 CLASIFICACION DE LOS ENSAYOS.Desde el punto de vista de Ingeniería, a los

ensayos los podemos clasificar de la siguiente manera:

A.- ENSAYOS DE CARACTERISTICAS.1. De composición:

Composición química. Fotocolorimétricos. Espectográficos. Chispas.

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

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

4. Constitución: Metalográficos.

B.- ENSAYOS DE PROPIEDADES MECANICAS (DESTRUCTIVOS).

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

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

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

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

4.1 PRINCIPALES ENSAYOS MECANICOS.

4.1.1 DUREZA.Se define como la resistencia del material a

una deformación permanente en su superficie, bajo la acción de una carga determinada, o como la resistencia que ofrece un material a ser rayado, penetrado, erosionado, desgastado, altura de rebote, por otro que actúa en su superficie. La dureza puede determinarse tomando como base varios procedimientos de resultados comparables.

CLASIFICACION DE LOS ENSAYOS DE DUREZA1. Ensayos por rayado.

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

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

b.1 Normal.b.2 Superficial

c) Ensayo Vickers.d) Ensayo Knoop.

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

4. Ensayo por cepillado o rasurado (Plowing Test).Ensayo Bierbaum. En el cual un elemento completamente paralelo (por ejemplo un diamante) se mueve, comprimiendo a través de la superficie del metal, bajo condiciones controladas de carga y conformación, en el cual la dureza es medida por el ancho de la ranura efectuada.

5. Ensayo por amortiguamiento (Camping Test).Ensayo Herbert. En el cual la amplitud de un péndulo, que tiene un gran pivote, queda disminuido al chocar en la superficie del metal ensayado, esta disminución da un valor para la dureza del mismo.

6. Ensayo por corte (Cutting Test).En el cual una herramienta cortante de una

forma dada, es accionada para remover una viruta de dimensiones estándar, de la superficie del material ensayado.7. Ensayo por abrasión.

En el cual la pieza a ensayar es cargada o deslizada en la dirección opuesta del giro de un disco rotatorio, entonces la razón o el coeficiente de desgaste mide la dureza del material ensayado.8. Ensayo por erosión.

En el cual la arena u otro abrasivo granular, es impactado sobre la superficie del metal o material ensayado bajo condiciones estándar, entonces el material perdido en un tiempo dado, es la medida de la dureza (para medir durezas de las ruedas amoladoras).

A. DUREZA POR RAYADO.Basado en la escala de Mohs, bajo el principio

de la precedencia de rayado de los materiales, uno de los ensayos por rayado muy conocido es el de Marten.

MOHS en 1822 estableció una escala de dureza, hoy todavía aplicable en mineralogía, cuyo principio de medición se basa en el rayado de materiales, en cuya escala la dureza con el número 1 corresponde al material más suave (talco) y el 10 al material mas duro (diamante):

Nº DUREZA MATERIAL

1 Talco

2 Sal gema

3 Calcita

4 Flourita

5 Apatita

6 Feldespato

7 Cuarzo

8 Topacio

9 Corindón

10 Diamante

TABLA Nº 1.1 ESCALA DE MOSH

B. DUREZA A LA PENETRACION. La determinación de la Dureza, se hace

generalmente por los ensayos de penetración, que consiste en dejar una huella en el material que se ensaya, aplicando sobre el un penetrador con una presión determinada y hallando el índice de dureza en función de la presión ejercida y la profundidad o diámetro de la huella dejada en el material ensayado. Los métodos mas usados son los de Brinell, Rockwell y Vickers.

B.1 METODO BRINNELL. (ING. SUECO – 1900)Este método lo ideó el ingeniero sueco Brinell

en el año 1900. Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, sobre el material a ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo determinado.

Se mide el diámetro de la huella y se encuentra la dureza del material por la relación entre la carga aplicada y el área del casquete de la huella, pues evidentemente y dentro de ciertos límites, esta área será tanto mayor cuanto menos duro sea el material. De lo cual se obtienen las siguientes relaciones que permiten calcular la dureza Brinell.

fD

PHB

.bolalade

npenetraciodeofundidadPrf

.huellaladeDiámetrod

.bolaladeDiámetroD

)dDD(2D

PHB

22

Fig. 1.4 PENETRADOR BRINELL

)(mmS

(kg)PHB

2

P = K x D2

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

Respecto a las cargas, tienen que ser proporcionales al cuadrado del diámetro, para que las huellas obtenidas sean semejantes y los resultados comparables.

Es decir:

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

Respecto a los tiempos que debe durar el ensayo, oscilan entre 30 segundos para el acero y tres minutos, para materiales muy blandos ver tabla

Todo lo expuesto se resume en la tabla siguiente. De este cuadro son comparables todos los ensayos realizados con cargas que utilicen el mismo coeficiente, aunque las bolas sean de diferente diámetro. O sea, los ensayos con carga de cada columna vertical y sus bolas correspondientes. En cambio, no darán resultados coincidentes los ensayos con la misma bola, pero con diferentes cargas (líneas horizontales).

TABLA Nº 1.2DIAMETRO DE LAS BOLAS Y PRESIONES 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

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. 1.4 DUROMETRO BRINELL

B.2 PRACTICA DE LOS ENSAYOS BRINELL.

El aparato más elemental consiste de una prensa, mediante la cual se aplica la carga correspondiente. Después, por medio de una regla graduada o un microscopio provisto de un retículo graduado, se mide el diámetro de la huella que la bola ha dejado en el material, y mediante la fórmula o la tabla, se halla el número de Brinell. Si la huella resulta ovalada, se toma la media de los diámetros extremos.

Al realizar el ensayo debe cuidarse especialmente de lo siguiente:

1.Que la superficie de la pieza esté limpia, sea perfectamente plana, normal al eje de aplicación de la carga y lo más homogénea posible.

2.Que el espesor de la pieza sea por lo menos el doble del diámetro de la huella, o 10 veces la profundidad de la huella.

3.Que la distancia del centro de la huella al borde de la pieza sea, por lo menos, cuatro veces el diámetro de la huella.

4.Que la distancia entre dos huellas consecutivas sea cuando menos 2.5 el diámetro de la huella.

TABLA Nº 1.4 DUREZA BRINELL DE ALGUNOS MATERIALES METALICOS

MATERIAL DUREZA BRINELL

Acero de herramientas, templado 500

Acero duro (0,80 % de carbono) 210

Acero dulce (0,10 % de carbono) 110

Bronce 100

Latón 50

Aluminio 25 a 30

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:

141

80HBC%

B.2 METODO ROCKWELL (1924)El método Rockwell se basa también en la

resistencia que oponen los materiales a ser penetrados; la dureza del material ser determina por la profundidad de la huella que deja el cuerpo penetrante .

Los penetradores son: 1. 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.

2. 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. 1.6 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 Carga previa = 10 Kg

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

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. 1.7 ESQUEMA DEL ENSAYO ROCKWELL B

Fig. 1.4 DUROMETROS ROCKWELL

B.3 METODO VICKERS (HV). Se deriva del método Brinell, empleándose

actualmente, sobre todo en laboratorios y en particular, para piezas delgadas y templadas, con espesores mínimos hasta de 0,2 mm.

En el método Vickers se utiliza como penetrador una punta piramidal de diamante, de base cuadrada y un ángulo en el vértice entre caras, de 136º, con precisión obligada de 20 segundos. La dureza Vickers se determina en función a la media de la de las diagonales, medidas con un microscopio en milésimas de milímetro.

Si P es la carga aplicada y S la superficie de la huella, la dureza Vickers será:

Sin embargo no se hacen cálculos con la fórmula anterior, sino por medio de gráficos o de tablas, en las que se entra con la medida de la diagonal y de la carga, se obtiene directamente la dureza.

Luego de deducir las relaciones geométricas de la huella dejada por el penetrador en el material se tiene finalmente la siguiente ecuación.

SP

HV

2dP

854,1HV

Fig. 1.8 EL ÁNGULO DE 136 º DE LA PUNTA PIRAMIDAL VICKERS ESTÁ ELEGIDA PARA QUE SEA LA HUELLA TANGENTE A LA DE LA BOLA BRINELL.

Respecto a las cargas son independientes de la dureza obtenida, pues la diagonal resultará proporcional a la carga y para un mismo material saldrá la misma dureza con cualquier carga.

Se utilizan cargas de 1 a 120 Kg. Siendo la mas utilizada la de 30 Kg. Respecto al tiempo que se ha de mantener la carga, oscila entre 10 y 30 segundos, siendo él mas empleado 15 segundos.

La dureza se expresa con las letras HV, seguida de dos cifras, una para la carga y la otra para el tiempo.

Por ejemplo, si la carga ha sido 30 Kg. durante 15 segundos, se pone HV 30/15.

NORMAS PARA EL ENSAYO VICKERS.1.La superficie debe estar pulida para que los

resultados sean válidos.2.Como regla general, el espesor de la probeta

debe ser superior a 1,5 veces la diagonal de la huella ( d = 7t).

3.En las probetas redondas debe aplicarse sobre el diamante una carga tan pequeña que la influencia de la curvatura (flecha) sobre la longitud de la diagonal sea inferior a 0,01mm.

4.La longitud de la diagonal debe medirse con una precisión de 0,001 mm, para longitudes superiores de 0,5 mm es suficiente una precisión de 0,01 mm.

5. El valor de la diagonal tomado debe ser la media de las 2 diagonales.

6. Además, la dureza para cifras inferiores a 25 debe darse redondeadas a la décima y para cifras superiores, redondeadas en unidades.

VENTAJAS DEL METODO VICKERS.1.Las huellas Vickers son comparables entre si, y las

cifras de dureza obtenidas, independientes de la carga.

2.Con el mismo penetrador puede medirse una amplia gama de materiales, desde muy blandos hasta muy duros, llegándose hasta 1150 Vickers, que equivaldrían aproximadamente a 780 Brinell.

3. Puede medirse la dureza de piezas muy delgadas empleando cargas pequeñas, hasta espesores del orden de 0,05 mm.

4. Puede medirse dureza superficial, dada la pequeña penetración del diamante, con cargas pequeñas, lo que permite comprobar, por ejemplo, el endurecimiento superficial de un material, después de ser rectificado con piedra de esmeril.

5. La escala Vickers, es más detallada que la Rockwell, y así por ejemplo, entre HRc 60 y HRc 66, las durezas Vickers que corresponden son 765 y 960, o sea 32 unidades Vickers por cada unidad Rockwell.

6. Como es preciso examinar la huella, puede comprobarse en cada medición el buen estado del diamante, lo que no ocurre en el Rockwell, que debe examinarse el diamante de vez en cuando.

Fig. 1.4 DUROMETRO VICKERS

B.5 DUREZA AL REBOTE METODO SHORE.Mediante este método la dureza se mide por la

altura que alcanza el rebote de un cuerpo al caer desde una altura fija sobre la superficie del material que se ensaya. La máquina o equipo usado para medir esta dureza es el Esclerómetro o Escleroscopio Shore; que consta de un martillo que pesa 1/12 de onza (2,36 gr), el cual es de acero y tiene forma cilíndrica con punta de diamante redondeado. La altura de caída es de 10" (25,4cm), dividida en 140 partes iguales.

La pieza se fija al aparato y se aspira el martillo, haciendo el vacío con una pera de goma y una vez en la parte alta se deja caer. Al rebotar el martillo se queda retenido en la parte más alta.

La ventaja de este durómetro es que prácticamente no produce huella en el material ensayado, por lo que se lo utiliza para medir durezas de piezas terminadas. Es por lo tanto uno de los ensayos de medición de dureza no destructivo.

FIG. 1.11 DUROMETRO SHORE

B.4. MICRODUREZAS

Generalmente se entiende por microdureza cuando la identación se realiza con cargas que no exceden a 1000 gr., generalmente se realizan con cargas entre 100 y 500 gr., aunque pueden usarse cargas mas pequeñas aun, el término está relacionado pues con el tamaño de la carga de identación. Los métodos más usados son:VICKERS : Europa.KNOOP : U.S.A.

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

pequeñísimas.b) Aplicación en puntas y alambres muy delgados.c) En la inspección de dureza de capas superficiales

carburadas, nitruradas, carbonitruradas.d) Se puede medir la dureza en la sección y no en la

profundidad de dichas capas endurecidas. e) Medición de dureza de microconstituyentes, de una

aleación.f) Medición de durezas en superficies no deseables y

descarburadas.g)Medición de durezas de capas superficiales de

electrodeposición metálica, relleno metalizado o en piezas recuperadas por soldadura.

METODO KNOOP.

Se emplea sólo en laboratorios para medir durezas de láminas muy delgadas, incluso de depósitos electrolíticos.

El penetrador es de diamante, de froma piramidal de base forma rómbica y utiliza cargas de 0,25 a 3,600 gramos, produciendo huellas rómbicas con las diagonales en la relación de 7 : 11 y la diagonal menor sobre profundidad de penetración de 4.0

2dP

2,14HV

FIG. 1.10 ESQUEMA PENETRADOR 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.

CAPITULO V DEFECTOS ESTRUCTURALES

1.GENERALIDADES.

No hay cristales perfectos debido a que hay varios tipos de imperfecciones cristalinas, que afectan a muchas de las propiedades físicas y mecánicas importantes de los metales y sus aleaciones; entre ellas, desde el punto de vista de ingeniería tenemos: capacidad de deformación en frío, conductividad eléctrica, resistencia mecánica, corrosión, velocidad de difusión, etc.

2. CLASES DE DEFECTOS ESTRUCTURALES.

Están clasificados de acuerdo a su geometría y forma, estos son:

a)Defectos puntuales, de dimensión cero.b)Defectos de línea o de una dimensión

(dislocación).c)Defectos de dos dimensiones, que incluyen

superficies externas y bordes de grano interno.

2.1. DEFECTOS PUNTUALES.Entre estos tenemos:

A. VACANTES.Son agujeros dejados por la pérdida de

átomos que se encontraban en una posición, estas se pueden producir durante el proceso de solidificación, por perturbaciones locales durante el crecimiento del cristal, o por reordenamiento atómico en el cristal, debido a la movilidad de los átomos. En los metales la concentración de huecos en equilibrio, raramente excede de 1 entre 10000.

B. INTERSTICIALES.Este defecto se produce, cuando un átomo

de la red ocupa un lugar intersticial, entre los átomos que lo rodean, en sitios atómicos normales. Estos se pueden producir en la estructura cristalina por irradiación con partículas energéticas.

C. IMPUREZAS.Constituidas por átomos extraños a la red

cristalina, los que pueden tener un diámetro mayor o menor que los de la red. Estos están presentes, desde el inicio del proceso de los materiales y se pueden ubicar en posiciones reticulares o intersticiales.

5.1 DEFECTOS PUNTUALES

D. DEFECTO SCHOTTKY.En cristales iónicos, los defectos puntuales son

más complejos, debido a la necesidad de mantener la neutralidad eléctrica de los mismos, cuando dos iones de cargas opuestas se pierden en un cristal iónico, se producen huecos anión - catión; produciendo defectos Schottky.

E. DEFECTO FRENKEL.Cuando un catión se mueve a una posición

intersticial, en un cristal iónico, se produce una vacante en la posición del ion, a esta dualidad de vacante - defecto intersticial, se le llama defecto Frenkel. La presencia de estos defectos, en un material iónico incrementa su conductividad eléctrica.

5.2 DEFECTOS PUNTUALES – MATERIALES IONICOS

Las vacantes adicionales, en un material también puede producirse por:

a)Por enfriamiento rápido desde altas temperaturas a bajas temperaturas.

b)Por deformación plástica del metal.c)Por bombardeo con partículas energéticas.d)En los compuestos químicos, como una respuesta

a las impurezas químicas y a las composiciones no estequiométricas.

Las vacantes no equilibradas, tienen tendencia a unirse formando clusters, las cuales pueden cambiar de posición con sus vecinas; este proceso es importante en la difusión de átomos en estado sólido, sobre todo a altas temperaturas donde la movilidad de átomos es mayor.

2.2. DEFECTOS DE LINEA O DISLOCACIONES.

Son defectos en los sólidos cristalinos que distorsionan la red alrededor de una línea, estos se crean por:

• Por una deformación plástica permanente.• Por condensación de vacantes.• Por desajustes atómicos en disoluciones

sólidas.• Durante la solidificación.

Las dislocaciones más importantes son:a) Dislocación de borde.b) Dislocación de tornillo.

A. DISLOCACION DE BORDE.

Se generan en un cristal por la inserción o ausencia de un semiplano de átomos, en la red cristalina; producido esfuerzos de compresión o tracción, provocando una distorsión local en la red, a este tipo de dislocación también se le llama dislocación de Taylor y su representación es una "" invertida para dislocación positiva y "T" en posición normal para una negativa, dependiendo del plano de referencia considerado.

La distancia de desplazamiento de los átomos alrededor de una dislocación se denomina deslizamiento o vector "b" de Burgers y para una dislocación de borde este vector de cierre es perpendicular a la dislocación y su magnitud estará dada por la diferencia de segmentos entre átomos para el área considerada o circuito de Burgers.

3.4 INCLUSIONES METALICAS.

En los aceros aleados además de los constituyentes citados pueden haber otros elementos en diferentes formas.

A) FORMA DE CARBUROS.EL Cr, Mo, W, Mn y V se combinan con el carbono, formando carburos metálicos muy duros. Estos carburos forman parte de los aceros rápidos que conservan su dureza y resistencia al desgaste a temperaturas superiores a 500 ºC.

B) DISUELTOS EN FERRITA.El Ni, Cr, Al, Si, Mn, Cu, P, pueden encontrarse en los aceros disueltos y no aleados.

C) EMULSIONADOS.El Cu en porcentajes superiores al 6 % y el Pb en porcentajes superiores al 1,5 % pueden encontrarse formando pequeñas bolsas en la masa del acero confiriéndole propiedades especiales, sobre todo de conductividad.