CIENCIA DE MATERIALES 1

2014-2

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

OBJETIVOS DEL CAPITULO

• Entender que es la Ciencia de Materiales y que abarca su estudio.

• Distinguir los tipos de materiales utilizados en ingeniería, así como algunas de sus principales características, propiedades y aplicaciones.

INTRODUCCÍON

• La selección apropiada de los materiales es de gran importancia.

• Generalmente se desea elegir un material con una determinada resistencia mecánica ; pero en otras ocasiones, no es tan primordial su RM sino, por ejemplo, que presente una adecuada resistencia a la corrosión.

• A la hora de elegir existen gran variedad de materiales que pueden ser empleados, y solo algunos serán los más convenientes, ello dependerá de otros factores como costo, peso, etc.

TIPOS DE PROPIEDADES

TIPOS DE MATERIALES

TENACIDAD

• Los materiales tenaces tienen el límite elástico y el de rotura muy distanciados. Al tener el periodo plástico muy largo, resisten deformaciones sin romperse.

TENACIDAD

• El acero más tenaz que se consigue es el acero HADFIELD al 12% de manganeso.

• se utiliza en los carriles de los ferrocarriles, en piezas de seguridad y en molinos de minerales.

• Tienen un alargamiento del 40% y una resistencia a la tracción de:

• 6 90MPa ( 100 000 lb/in2).

FRAGILIDAD

• Es contraria a la tenacidad. Carecen de periodo plástico y no ofrecen resistencia al choque.

• Tienen los límites elástico y plástico muy próximos

FATIGA

• Es la capacidad de resistencia a los esfuerzos repetitivos, variables en magnitud y sentido.

• El valor de la carga puede ser mucho menor al límite de rotura por tracción

COMPARACIÓN ENTRE PROPIEDADES DE MATERIALES

CONCLUSIONES

• Los metales y las aleaciones desempeñan una función indispensable en muchas aplicaciones tales como automóviles, construcciones, puentes, aeroespaciales.

• Las cerámicas son resistentes, son buenos aislantes eléctricos y térmicos, soportan altas temperaturas y entornos corrosivos, pero son frágiles.

• Los polímeros no son adecuados para el uso a altas temperaturas ,tienen buena resistencia a la corrosión, buena aislación eléctrica y térmica y tienen resistencias mecánicas relativamente bajas.

PREGUNTAS

• ¿Que propiedades debe poseer la cabeza de un martillo de carpintero?¿Cómo fabricaría una cabeza de un martillo?

• El acero se recubre con frecuencia con una capa delgada de zinc si se va a usar en exteriores. ¿Qué características piensa que provee el zinc a este acero recubierto o galvanizado?

• Un avión fabricado principalmente de aleaciones de aluminio( 2.71 g/cm3) pesa 2300 kg. ¿Cuál será el peso de este avión si se fabrica utilizando principalmente compuestos de fibra de carbono(1.80 g/cm3)?

ENSAYO DE DUREZA

ENSAYO DE DUREZA

• La dureza es una propiedad mecánica y, de los metales, es una medida de su resistencia a ser deformados permanente

• Todos los ensayos de dureza en los metales dejan una huella permanente y a mayor tamaño de la huella el metal será mas blando

METODOS DE MEDIR DUREZA

Se clasifican de acuerdo a la forma de realizar el ensayo:• Dureza al rayado

• Dureza a la penetración

• Dureza elástica o dinámica

DUREZA AL RAYADO

• Interesa principalmente a los mineralólogos, y se evalúa por la capacidad de los materiales de rayarse unos a otros.

• La dureza se mide de acuerdo con la escala de MOHS, que consiste de 10 minerales tipo enumerados del 1 al 10 en orden creciente de dureza.

ESCALA DE MOHS Nº Nombre 1 TALCO 2 YESO 3 CALCITA 4 FLUORITA 5 APATITO 6 ORTOSA 7 CUARZO 8 TOPACIO 9 CORINDÓN 10 DIAMANTE

DUREZA A LA PENETRACIÓN

• Mide la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados por otro cuerpo mas duro.

• Se imprime sobre el material un indentador (billa de acero endurecido, cono de diamante, etc.) con una fuerza conocida por un tiempo determinado.

DUREZA A LA PENETRACIÓN

• Este tipo de ensayo es el que se emplea principalmente para determinar la dureza en los aceros, aleaciones de cobre, aleaciones de aluminio , etc.

Dureza Brinell (ASTM E 10)

• Fue el primer ensayo de dureza a la penetración ampliamente aceptado

• El ensayo de dureza originalmente consistía en comprimir sobre la superficie del metal una billa de acero endurecido de 10mm de diámetro (D), con una fuerza (F) de 3000 kg que se aplica progresivamente durante un tiempo determinado. Después de retirada la carga y el indentador, se mide el diámetro de la huella (d) dejado por el indentador en mm, tal como muestra la figura

Después de retirada la carga y el indentador, se mide el diámetro de la huella (d) dejado por el indentador en mm

P: Fuerza aplicada en kg

S: área del casquete semi esférico en mm2

HB: Número de dureza Brinell

Después de retirada la carga y el indentador, se mide el diámetro de la huella d=(d1+d2)/2 dejado por el indentador en mm

D: diámetro de la billa

d: diámetro de la huella

P: carga aplicada

DUREZA BRINELL

• La relación ir entre el diámetro del indentador (D) y el diámetro (d) deberá ser:

0.24D<d<0.6D• Relación que se cumple en el ensayo en aceros; en

materiales mas blandos usualmente no se cumple , cuando se realiza ensayos de dureza en metales mas blandos se deben emplear fuerzas menores a 3000kg.

DUREZA BRINELL

MATERIAL TIEMPO

Hierro y acero 10 a 30 seg

Cobre, bronces y latones 30 seg

Aleaciones ligeras 60 a 120 seg

Estaño y plomo 120 seg

Materiales muy blandos 120 seg

DUREZA BRINELL

• si la muestra es muy delgada, se debe emplear una fuerza menor tal como de 125kg entonces el diámetro del indentador cambiara, pues Q es el valor constante, luego se debe emplear un indentador de 5mm.

• por lo tanto, siempre que cambie el valor de la fuerza, el diámetro del indentador cambiara de tal forma que siempre se mantenga la relación Q la cual depende del material a ensayar

RELACION ENTRE HB y σmax•

29

Factores para el calculo de la resistencia a la tracción partiendo de la dureza Brinell

Acero al Carbono 0,36

Acero aleado 0,34

Cobre y latón 0,40

Bronce 0,23

DUREZA BRINELLEl numero HB, cuando se emplea un billa de acero endurecido (S) esta limitado a 450 HB , pudiéndose llegar a 650HB cuando se emplea billas de carburo de tungsteno(W)

DUREZA BRINELL

• 250HBS: indica una HB de 250, empleando una billa de acero endurecido de 10mm aplicando una carga de 3000kg durante un tiempo de 10 a 15s

• 250HBW: similar al anterior, solo que se empleo un indentador de carburo de tungsteno.

• 250HBW 5/750/20: significa una HB de 250, determina con un indentador de carburo de tungsteno de 5mm, empleando una carga de 750kg la que fue aplicada durante 20s

32

Dureza Brinell de algunos materiales

• Acero de herramientas templado........500• Acero duro (0,8% de Carbono).............210• Acero dulce (0,1% de Carbono)........... 110• Bronce...................................................100• Latón...................................................... 50• Aluminio..........................................25 a 30

DUREZA ROCKWELL(ASTM E 18)

• La maquina Rockwell salió al mercado en 1924, llenando el vacio dejado por Brinell, pues no se podían medir la dureza en materiales muy duros

• El ensayo Rockwell se basa, como el Brinell, en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados por un cuerpo mas duro, pero se diferencia. En el ensayo Rockwell actúan dos fuerzas diferentes. Primero se aplica una fuerza pequeña de 10 kg y luego actúa otra fuerza mayor

DUREZA ROCKWELL

DUREZA ROCKWELL

DUREZA ROCKWELL

MÉTODO ROCKWELL

38

Designación HR

45 HR C

Valor de dureza

Ensayo Rockwell

Escala C:Cono de diamante

Carga: 150 kg

39

CUADRO Nº 3

ESCALAS DE DUREZA ROCKWELL (Según Apraiz)

EscalaDesig.

Tipo y tamaño delpenetrador

Carga menor

Carga mayor

Kg. kg Aplicaciones

A Cono de diamante

10 50 Aceros nitrurados, flejes estirados en frío, hojas de afeitar. Carburos metálicos

B Bola de1/16”

10 90 Aceros al Carbono recocidos de bajo contenido de Carbono.

C Cono de diamante

10 140 Aceros duros. Dureza superior a 100 HRB o 20 HRC

D Cono de diamante

10 90 Aceros cementados

E Bola de1/8”

10 90 Materiales blandos, como antifricción y piezas fundidas.

F Bola de1/16”

10 50 Bronce recocido, aluminio, algunas aleaciones de Al

G Bola de1/16”

10 140 Bronce fosforoso y otros metales.

H Bola de1/8”

10 50 Metales blandos, con poca homogeneidad, fundición de hierro.

40

ESCALAS DE DUREZA ROCKWELL (Según Apraiz)

EscalaDesig.

Tipo y tamaño del

penetrador

Carga menor

Carga mayor

Kg. kg Aplicaciones

K Bola de1/8”

10 1 Metales duros, con poca homogeneidad, fundición de hierro.

L Bola de1/4”

10 50 Metales duros, con poca homogeneidad, fundición de hierro.

M Bola de1/4”

10 90 Metales duros ,con poca homogeneidad, fundición de hierro.

P Bola de1/4”

10 140

R Bola de1/2”

10 50 Metales muy blandos, antimonio

S Bola de1/2”

10 90 “

V Bola de1/2”

10 140 “

41

CUADRO Nº 3

ESCALAS DE DUREZA ROCKWELL (Según Apraiz)

EscalaDesig.

Tipo de prueba

Tipo y tamaño del

penetrador

Carga menor

Carga mayor

Kg. kg Aplicaciones

15-N Superf. Cono de diamante

3 12 Aceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza.

30-N “ Cono de diamante

3 27 “

45-N “ Cono de diamante

3 42 “

15-T “ Bola de1/16”

3 12 Aluminio, aleaciones de Al

30-T “ Bola de1/16”

3 27 Bronce, latón y acero blando.“

45-T “ Bola de1/16”

3 42 “

Nota: La tabla es solo referencial.

DUREZA VICKERS(ASTM E 92)

• El fundamento es parecido al de Brinell, se basa en la resistencia que oponen los cuerpos a ser penetrados.

• Emplea un indentador de diamante en forma de pirámide cuadrangular, con un ángulo de 136º entre caras opuestas. El ángulo fue elegido para que las cifras Vickers sean siempre algo superior a la Brinell

DUREZA VICKERS

• Se emplean fuerzas entre 1kg y 120kg, siendo la más empleada de 30kg. Se recomienda el uso de fuerzas mayores a 5kg pues para valores menores la dureza puede ser dependiente de la fuerza aplicada.

• La huella sobre la superficie de la muestra será un cuadrado.

• Las diagonales ( d1 y d2 ) se miden por medio de un microscopio.

2d

P1,854 HV

P: Carga aplicada en kg

d: diagonal promedio de la huella en mm

Designación

440 HV 30 / 20

Valor de dureza

Ensayo de dureza Vickers

Tiempo de aplicación de la carga: 20 seg.

Carga aplicada en kg

Nota: Cuando el tiempo de aplicación varía entre 10 y 15 s no se indica

DUREZA SHORE ( ASTM D 2240)

• Consiste en evaluar la dureza superficial del material midiendo la profundidad que alcanza una punta de acero normalizada cuando se presiona contra el material.

• Se puede medir con instrumentos simples

El sistema de indicación de presión constante asegura la presión uniforme de la prueba que elimina las lecturas falsas debido a las diferencias entre los operadores.

48

• La superficie de apoyo y de la muestra deberán ser lisas y de caras paralelas. El durómetro se coloca sobre la muestra con paralelismo de caras con ayuda de un dispositivo apropiado. La fuerza aplicada por estos aparatos es de 12,5 N en la Shore A y de 50 N en la Shore D.

49

• El método Shore A se aplica a plásticos blandos, por ejemplo PVC plastificado, dureza de caucho natural, elastómeros y plásticos suaves, polietilenos.

• El método Shore D se emplea para plásticos más duros: elastómeros duros, plásticos, caucho duro, ebonita y otros

• La dureza Shore se expresa en unidades de Shore A o D. Son posibles diferencias de 2-3 unidades Shore.

• Es muy importante realizar la medida siempre al mismo tiempo, 3 ó 15 s.

50

CONCLUSIONES

• Los ensayos de dureza nos permiten caracterizar los materiales mediante un método sencillo y rápido

• Los ensayos de dureza disponibles se diferencian en el tipo de penetrador, la carga aplicada y en cómo se evalúa la huella.

PREGUNTAS

• ¿ Cómo se realiza el ensayo Brinell?• ¿ Cómo puede calcularse aproximadamente la

resistencia a la tracción partiendo de la HB ?• ¿ Qué medio de impresión se utiliza en el

ensayo de Vickers ?• Con que fuerza se ensaya en la prueba de

HRC ?

PREGUNTAS

• ¿ Cuáles son algunas de las ventajas de los métodos de dureza a la penetración?

• ¿ Cómo podría determinarse la dureza de una probeta muy delgada?

• Explicar la falta de correlación entre los diferentes tipos de ensayos de dureza.

• Si se obtiene en un ensayo con D=2.5mm y F=187.5 kgf y d=1.0mm. Entonces HB es: