TECNOLOGÍA DE MATERIALES

LABORATORIO 03

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

DENSIDAD

Alumnos

Grupo : F Docente:Ing. Valdez Salazar Carlos Eddy

Nota:Semestre : II

Fecha de entrega

: Hora:

MANTENIMIENTO DE MAQUINARIA PESADA PFR

INTRODUCCIÓN

En el siguiente laboratorio se comprobaran las propiedades de los materiales metálicos, del mismo modo se realizaran comparaciones con distintos metales, y algunos materiales sintéticos entre las características que presentan cada uno de ellos al momento de realizar las pruebas.

1. Implementos de seguridad

Tener en cuenta los riesgos que podrían ocurrir y para evitarlos usar los implementos de seguridad.

2. Herramientas y materiales opcionales

Martillo de peña

Partillo de plástico

Perfil en “L”

Placa de aluminio para doblado de alambres.

Base soporte para probetas de conductividad eléctrica

Transportador

Tornillo de banco

Cocina eléctrica

Magneto permanente

Balanza

Probeta graduada

3. Materiales

Probetas para el ensayo de resistencia la fatiga

Probetas para el ensayo de elasticidad

Probetas para el ensayo de magnetismo

Probetas para el ensayo dureza

Probetas para el ensayo de determinación de la densidad

4. Objetivos

Se determinara las principales propiedades de los materiales metálicos.

Su utilización en el mundo industrial, evaluar su empleo y sus aplicaciones

5. Marco teórico

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Los materiales ocupan un lugar principal en la construcción de máquinas; y éstos deben de poseer ciertos requisitos de uso para el cual fueron diseñados. Son estos requisitos los que predeterminan en gran parte, las propiedades que los materiales deben de poseer. Los materiales pueden poseer una diversidad de propiedades, de las cuales estudiaremos las siguientes:

5.1. PROPIEDADES FÍSICAS

5.1.1 DENSIDAD

Mide la relación de la masa de una sustancia (sólido o líquido) por unidad de volumen. Normalmente se emplea como sustancia de referencia el agua (cuya densidad se considera de 1 gr/ml).

TABLA DE DENSIDADES DE LOS METALES MÁS CORRIENTES A 15 ºC

DENSIDADES DE ALGUNAS ALEACIONES METÁLICAS

5.1.2 PUNTO DE FUSIÓN

Es la temperatura en la cual el material sólido pasa al estado líquido. Metales de bajo punto de fusión: por debajo de 1000°C Metales de punto de fusión medio: entre 1000 y 2000°C Metales de alto punto de fusión: por encima de 2000°C

5.2. PROPIEDADES TECNOLÓGICAS

Estas propiedades indican el comportamiento del material al momento de ser trabajado.

Las propiedades tecnológicas más importantes son:

5.2.1 COLABILIDAD

Se denominan materiales colables a aquellos que pueden fundirse en moldes a temperaturas económicas y técnicamente rentables; por ejemplo, fundición gris, estaño, plomo, aleaciones de cobre, etc.

5.2.2 MALEABILIDAD

Se denominan materiales maleables a aquellos que por la acción de fuerzas aplicadas sobre él admiten una deformación plástica o permanente conservando su cohesión molecular; por ejemplo, laminado, doblado, prensado, etc.

5.2.3 MAQUINABILIDAD

Propiedad que determina la capacidad de mecanización de un material. Está relacionada con los procesos en los cuales existe arranque de material o viruta como:

Grafico 1. La temperatura de fusión para materiales

cerámicos es mayor que los metales. Los polímeros tienen

menor punto de fusión.

Cizallado: proceso por el cual se corta una plancha o una pieza metálica en frío por medio de tijeras o cizallas.

Torneado: operación que consiste en trabajar una pieza en un torno, máquina-herramienta en la que se asegura y se hace girar la pieza a trabajar, para pulirla o labrarla.

Taladrado: operación que consiste principalmente en la abertura, agrandamiento, corte y acabado de agujeros en una pieza.

Figura 2. Herramientas de mecanizado.

5.3. PROPIEDADES MECÁNICAS

Está determinada por la reacción de los materiales debido a fuerzas externas aplicadas.

a) Resistencia: Es la oposición que presenta el material al cambio de forma y separación, debido a la acción de fuerzas externas.

Toda fuerza externa genera en el material tensiones de acuerdo con el tipo de fuerza que se aplica.

a.1 Fuerza de Tracción: Es la fuerza aplicada a una determinada área del material, que trata de producir alargamiento.

La propiedad del material para soportar fuerzas de tracción se denomina: Resistencia a la tracción.

a.2 Fuerza de Cortadura: Es la fuerza que trata de desplazar dos secciones inmediatas una respecto a otra. La resistencia ofrecida por el material se denomina Resistencia al Corte, llamada también, resistencia al cizallamiento.

b) Dureza: Es el grado de oposición de un material a ser rayado o penetrado de cualquier forma, por otro material.

Figura 3. Comparación de dureza de diferentes materiales.

c) Fragilidad: Es la tendencia a la fractura sin deformación apreciable por ejemplo, el vidrio, la fundición gris.

d) Fatiga: Si se somete una pieza a la acción de cargas periódicas (alternativas o intermitentes), se puede llegar a producir su rotura con cargas menores a las que producirían deformaciones.

e) Tenacidad: Es la capacidad de un material para soportar una carga de impacto sin romperse, es necesaria la existencia de resistencia y plasticidad para un comportamiento tenaz del material.

5.4 PROPIEDADES TÉRMICAS Y ELÉCTRICAS

Las propiedades térmicas de un material se vuelven aparentes cuando cierta energía es introducida por el flujo de calor, y causa que los átomos vibren más vigorosamente y se eleve la temperatura del material.

Estas pueden ser:

Dilatación térmica Conductividad térmica

Las propiedades eléctricas se presentan en materiales que están sujetos a la acción de campos eléctricos. Un campo eléctrico es usualmente medido en unidades de voltios por centímetro (volts/metro). Estas pueden ser:

Resistividad eléctrica (o conductividad) Constante dieléctrica relativa.

5.4.1 PROPIEDADES MAGNÉTICAS

El magnetismo es el fenómeno por el cual los materiales muestran una fuerza atractiva o repulsiva o influyen en otros materiales, ha sido conocido por cientos de años. Sin embargo, los principios y mecanismos que explican el fenómeno magnético son complejos.

Muchos de nuestros dispositivos modernos cuentan con materiales magnéticos; estos incluyen generadores eléctricos y transformadores, motores eléctricos, radio y TV., teléfonos, computadoras y componentes de sistemas de reproducción de sonido y video.

Figura 4. Imán

6. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

6.1 DENSIDAD

EQUIPOS Y MATERIALESo Probeta graduada

o Balanza digital

o Muestra de Acero de construcción corriente: 0.20 %C

o Muestra de Cobre

o Muestra de Latón

o Muestra de Acero

o Muestra de Acero Inoxidable

o Muestra de Aluminio

CONOCIMIENTOS RELACIONADOS CON LA TAREA

LA DENSIDAD es la relación que hay entre la masa y el volumen de un cuerpo y se puede determinar mediante la expresión:

ρ=masa (m )volumen (v )

La masa es numéricamente igual al peso cuando se mide en gramos y dentro de nuestro planeta.

El principio de Arquímedes nos enseña que el volumen desalojado por los cuerpos pesados sobre un líquido determina el volumen de dicho cuerpo.

PROCEDIMIENTO

a) Determinar la masa de cada uno de los materiales de ensayo (utilizando al balanza)

b) Determinar el volumen del material de ensayo(por diferencia de volúmenes, utilizando la probeta graduada)

c) Calcular la densidad.d) Buscar en tablas de densidad del material ensayado (compare ambos valores de

densidad).e) Repetir los pasos anteriores para los otros materiales.

Figura 1. Determinación de la densidad mediante prueba de la probeta.

Material M(g)

V(cm3)

DensidadEnsayada (g/cm3) De tablas(g/cm3)

Aluminio 29 10 2.9 2.7

Cobre 97 11 8,81 8.9

Acero Inoxidable

84 10,5 8 7,93

Acero 88 11 8 7,8

Latón 91 10,5 8,67 8.89

ANÁLISIS DE RESULTADO

Realizar en un gráfico de barras horizontales de la densidad de los materiales ensayados, de mayor a menor densidad.

Aluminio

Acero inoxidable

Acero

Latón

Cobre

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2.9

8

8

8.67

8.81

Densidad

Densidad(gr/cm3)

CONCLUSIONES El método de ensayo para determinar la densidad ¿se puede aplicar a

todos los materiales? ¿A cuáles cree Ud. que no sería posible de realizarla? Fundamente su respuesta.

Sí, porque todo material tiene un volumen y masa correspondiente (Excepto gaseosos) y solo materiales con mayor densidad del agua.

Con ayuda de la tabla de densidades y de los resultados obtenidos: ¿Para qué materiales son válidas las siguientes afirmaciones?

El cobre tiene aproximadamente 3 veces la densidad del LATON. El material con mayor densidad es PLOMO y con la menor densidad es ALUMINIO.

6.2 DUREZA

EQUIPOS Y MATERIALES:

Probetas de materiales de:AluminioCobreLatón Acero Acero inoxidable

CONOCIIENTOS RELACIONADOS CON LA TAREA

LA DUREZA es el grado de oposición de un material a ser rayado o penetrado de cualquier forma, por otro material.

En la figura observamos que la punta del penetrador ingresara en mayor profundidad en el material más blando como el aluminio.

PROCEDIMIENTO

A) Determinar mediante el rayo sucesivo de uno contra otro, la dureza de los materiales de ensayo b) Ordenarlos de manera decreciente en el cuadro respectivo:

MATERIAL1 Vidrio (+)

2 Acero

3 Bronce

4 Cobre

5 Latón

6 Aluminio

7 Plástico (-)

Figura 2. Resultado de la prueba de rayado para determinar dureza. Desde arriba: Aluminio, cobre, latón, acero, acero inoxidable.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

En la experiencia se observa la dureza de diversos tipos de metales. ¿Si realizamos la experiencia con diversos tipos de materiales sintéticos obtendremos un resultado similar o todos los materiales sintéticos tienen la misma dureza?

Correcto parcialmente correcto incorrecto

Si se tratase de materiales no ferrosos ligeros los resultados serán:

Similares a los Resultados obtenidos en la

La dureza será igual No hay metales noen todos ferrosos duro

experiencia

CONCLUSIONES

1. ¿Un material no metálico puede ser más duro que un metal? Explique con ejemplos.

Si, por ejemplo el diamante debido a su composición y estructura molecular.

2. ¿Cuál es el metal más duro, de los que se ha ensayado? ¿y el metal menos duro?

Acero HSS y el aluminio

3. ¿Se toma en cuenta la propiedad de la dureza cuando se construyen partes industriales? Mencione un ejemplo

Si, por ejemplo en la fabricación de puentes, molinos, muelles de automóviles, etc.

6.3 PROPIEDAD DE MAGNETISMO

EQUIPOS Y MATERIALES Imán Regla graduada Probetas de aluminio, cobre, Hierro fundido, Acero de construcción

CONOCIMIENTOS RELACIONADOS CON LA TAREA

EL MAGNETISMO es una propiedad de varios materiales, el que se utiliza para diversas aplicaciones tecnológicas sobre todo en la electrotecnia.

También puede ser una propiedad no deseada en algunos casos, porque se le debe eliminar las propiedades magnéticas de determinados componentes, utilizando equipos especiales.

PROCEDIMIENTO

a) Determinar cuáles de los materiales de ensayo son o no son magnéticos.b) Para los materiales no magnéticos, indicar con un aspa (x) en el recuadro

correspondiente.c) Para los materiales magnéticos, medir la distancia máxima desde la cual el

material es atraído por el imán.d) Anotar la distancia del paso anterior en el recuadro correspondiente.e) Identificar específicamente, en función de las distancias obtenidas, el nombre de

los materiales magnéticos

Figura 3. Determinación del magnetismo del latón

Figura 3. Determinación del magnetismo del latón

Figura 4. Determinación del magnetismo del cobre.

Figura 5. Determinación del magnetismo del acero inoxidable

.

Figura 6. Determinación del magnetismo del aluminio.

N MATERIALES

Magnético

SI

NO

1 Aluminio 0.00 0.00 X

2 Bronce 0.00 0.00 X

3 Cobre 0.00 0.00 X

4 Fe. Fundido 55 mm 45 mm X

5Acero de

construcción48 mm 45 mm X

6 Acero inoxidable 0.00 0.00 X

NOTA

Al colocarlos de la manera mostrada en la figura se observa que en el primer caso el acero de construcción es atraído fácilmente y a menor distancia que el Fe fundido, pero al colocarlos horizontalmente estos son atraídos a la misma distancia ya que al tener la misma dimensión la fuerza es la misma.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

¿Se puede afirmar que existe un grado de metales que tiene propiedades magnéticas? ¿Cuáles son? ¿Por qué son magnéticos?

Si existe una clasificación para clasificar el grado de magnetismo. Son:1. No magnético2. Diamagnético3. Paramagnético4. Ferromagnético5. Anti ferromagnético6. Ferromagnético7. Superpara magnético8. FerritasSon magnéticos por que poseen un campo electromagnético intrínseco el cual depende de la estructura del material pero sobretodo de su configuración electrónica.

CONCLUSIONES

1. ¿Qué materiales no se pueden sujetar utilizando la fuerza magnética?

° Al ° Br

° Cu° Acero inoxidable.

2. ¿Qué aplicaciones técnicas industriales emplean la propiedad del magnetismo? Mencionar ejemplos

Grúas de los puertos

Fajas transportadoras de minerales para separar la fem de otro metal

Electroimanes para levantar chatarra

6.4 PROPIEDADES DE CONDUCTIVIDAD TERMICA

EQUPOS Y MATERIALES calentador térmico termómetro digital tenazas probetas de acero de acero de construcción, latón, aluminio, cobre tabla de conductividad térmica

CONOCIMIENTOS RELACIONADOS CON LA TAREA

La conductividad térmica será de importancia para determinadas parte de equipos y maquinas industriales que requieren de esa propiedad para su función. También junto a la conductividad térmica se deberá evaluar las propiedades de algunos materiales, que tiene resistencia a la propagación del calor también denominados materiales aislantes térmicos.

PROCEDIMIENTOa) Colocar los materiales de ensayo sobre el calentador eléctrico.

Figura 7. Calentamiento de varillas en cocina eléctrica.

b) Calentar los materiales de ensayo por un espacio de 5 minutos c) Sin desconectar el calentador eléctrico, calibrar el termómetro digital

d) Tomar simultáneamente la temperatura de los materiales en el extremo opuesto al calentador

e) Anotar las temperaturasf) Graficar en forma de barras la temperatura vs material

Acero Aluminio Cobre Bronce0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Extremo Alejado Punto Medio Extremo Caliente

Grafica.- temperatura vs material

ANÁLISIS DE RESULTADOS Busca en tablas los valores de la conductividad térmica compare sus resultados con los valores de conductividad térmica en tablas.

MATERIAL

CONDUCTIVIDAD CALORIFICA, λ

( Wm. K )1 Acero corriente 0.2 % C 47-582 Aluminio 209.33 Cobre 372.1-385.24 Latón (60 % Cu) 81-1165 bronce 116-186

CONCLUSIONES

1. ¿En qué casos utilizaría materiales de buena conductividad térmica?

Se utilizaría en actividades que requieran que el intercambio de calor de un

Medio a otro sea rápido, como por ejemplo el intercambiador de calor.

2. ¿En qué casos utilizaría materiales de mala conductividad térmica?

En actividades que requieran conservar mejor el calor y no se difunda

Rápidamente, como por ejemplo calderos.

3. ¿El material de la experiencia que mejor conduce? : El mejor es el Aluminio y el peor es Acero.

4. ¿Si los resultados de pregunta 3 concuerdan con los suyos? en caso de no ser así ¿a qué lo atribuye?

A una mala medición de temperaturas Al no medir simultáneamente la temperatura de los materiales A un mal contacto entre las varillas y la cocinilla Al tener diferentes longitudes de las varillas y tomar la temperatura al medio

de cada una.

6.5 PROPIEDAD DE RESISTENCIA A LA FATIGA

EQUIPOS Y MATERIALES Materiales de prueba Prensa Alicate

CONOCIMIENTOS RELACIONADOS CON LA TAREA

Las partes construidas principalmente con metales pueden ser sometidas a cargas alternas por constantes por un determinado tiempo y no ser destruidas.

Esta propiedad es muy importante para la construcción de estructuras que soporten ese tipo de cargas.

PROCEDIMIENTO colocar el material en la ranura del dispositivo de ensayo ajustar el material de ensayo doblar hasta los topes del dispositivo en ambos lados repetidamente contando el

número de veces que se dobla determinar el número de veces que se dobló el material hasta producir rotura registrar los valores en una tabla y graficar en forma de barras.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Acero Cobre Aluminio Bronce PVC0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Numero de dobleces

Numero de dobleces

1. El material metálico con mayor resistencia a la fatiga es: Cobre.2. El material metálico con menor resistencia a la fatiga es: Aluminio.3. ¿Qué entiende por fatiga de un material?

La fatiga es un mecanismo de desgaste, que se presenta en elementos mecánicos tales como engranajes, levas o rodamientos, entre otros

4. ¿Qué materiales son los más apropiados para la fabricación de partes dobladas a las cuales se les debe aplicar fuerza variable?

La fatiga de los metales se produce por la acción de las cargas variables y la concentración de tensiones.Las cargas en su mayoría son variables, sólo que en algunos casos, su frecuencia de alterabilidad o de variación es tan pequeña que se puede decir que el componente trabaja en condiciones estáticas.La tecnología empleada para realizar ensayos de fatiga, está bastante avanzada.

6.6 PROPIEDAD DE ELASTICIDAD

EQUIPOS Y MATERIALES dispositivos de ensayo de elasticidad martillo de goma probetas de cobre, acero de aleado, latón, aluminio.

CONOCIMIENTOS RELACIONADOS CON LA TAREA

La elasticidad de un material representa la capacidad para que una vez que una fuerza deja sobre un material, este regresa a su posición inicial sin haber sufrido una deformación. La propiedad de elasticidad se aplica en muchos componentes industriales

Figura 12. Elasticidad en materiales

PROCEDIMIENTO Sujetar el dispositivo de ensayo en el tornillo de banco Enderezar el material utilizando el martillo de goma Colocar el material en el dispositivo de ensayo Ajustar manualmente el tornillo hasta lograr verticalidad del material Doblar hasta el tope del dispositivo, empujando desde la base Determinar el ángulo de retroceso debido a la elasticidad Retirar el material registrar los valores en la tabla y graficar en barras verticales.

RESULTADOS

Aluminio Bronce Acero Cobre Laton 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20 Elasticidad

Promedio de Grados de elasticidad

ANÁLISIS DE RESULTADOS

a. La elasticidad es la: Capacidad de un material para retornar a su posición original.

b. El material con mayor elasticidad es: El cobre

c. El material menos elástico es: El aluminio

d. ¿Los materiales blandos tienen mayor retroceso elástico que los duros?

Si, ya que son menos elásticos o maleables

e. ¿Es lo mismo elasticidad que plasticidad?

No, la plasticidad es cuando un material cambia su forma permanentemente sin llegar a la ruptura.

f. Mencione ejemplos en los cuales un material se encuentra sometido a elasticidad

Resortes, muelles de automóviles, columnas de edificios

7. CONCLUSIONES:

Se aprendió que todo material tiene la propiedad de elasticidad aunque algunos sean muy elásticos (acero), otros si (cobre), y otros no poseen esta propiedad.

Se debe conocer la propiedad de la elasticidad, porque esto se puede utilizar en la industria, como por ejemplo en las empresas de llantas para los medios de transporte.

La densidad es la relación entre la masa y el volumen, el metal con mayor densidad es el plomo y el de menor densidad es el latón

La conductividad térmica es la capacidad de un material a transferir el calor de un lado a otro, según el material es la capacidad de transferencia de calor.

Las propiedades magnéticas determinan que material puede ser atraído o no por un imán, estas propiedades se puede utilizar para realizar grúas, bobinas, etc.

Cada material tiene una constante de elasticidad, esto ayuda a seleccionar el material adecuado para la construcción de maquinaria que necesite que el material sea flexible y no se quiebre.

La fatiga de los metales se produce por la acción de las cargas variables y la concentración de tensiones.

Las cargas en su mayoría son variables, sólo que en algunos casos, su frecuencia de alterabilidad o de variación es tan pequeña que se puede decir que el componente trabaja en condiciones estáticas.

La tecnología empleada para realizar ensayos de fatiga, está bastante avanzada.

8. BIBLIOGRAFIA

Metales frágiles (s.f.) En Wikipedia, la enciclopedia libre. Recuperado el 30 de septiembre del 2014, de http://es.wikipedia.org/wiki/M etales Resistencia de los metales (s.f.) En Fisicalab.com. Recuperado el 30 de septiembre del 2014 de http://www.fisicalab.com/apartado/ resistenciaalrayado Metale (12 de septiembre del 2008) En Wikipedia, la enciclopedia libre. Recuperado el 30 de septiembre del 2014 de http://es.wikipedia.org/wiki/Metalesymetaloides Capitulo 2: Pruebas de desgaste y resitencia en los metales (s.f.) En CATARINA, Recuperado el 30 de septiembre del 2014 de http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/henaine_d_m/capitulo2.pdf Physics for Scientists and Engineers Volume 1, Seventh Edition Publicado en inglés por Brooks/Cole ©2008

9 ANEXOS

9.1. DIAGRAMA DE FLUJO DE TODAS LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

MATERIALES

QUIMICAS

PROPIEDADES

MAGNETICAS

FISICAS TECNOLOGICAS

TERMICASELECTRICAS

MECANICAS

DENSIDAD RESISTENCIA FATIGA

TENACIDADDUREZAPUNTO DE FUSION

FRAGILIDAD PLASTICIDAD

MALEABILIDAD

MAQUINABILIDAD

SOLUBILIDAD

COLABILIDAD

TEMPLABILIDAD

9.2. PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS MATERIALES

Uno de los factores que limitan de forma notable la vida de un material es la alteración química que puede experimentar en procesos de oxidación o corrosión.

Oxidación

Consiste en la cesión de electrones.

Cuando un material se combina con el oxígeno, transformándose en óxidos más o menos complejos, se dice que experimenta una reacción de oxidación. De esta forma esquemática se puede representar el proceso de oxidación de la siguiente manera:

Cuando un material se encuentra situado en una atmósfera oxidante, su superficie se oxida más o menos rápidamente; el óxido que se transforma se deposita en la parte exterior del material recubriéndolo por completo. Para que el proceso de oxidación continúe en esa situación, el material o el oxígeno deben atravesar, por difusión, la capa de óxido, que se comporta oponiéndose tanto al movimiento de los átomos de oxígeno como a los del material. Existen capas de óxidos que presentan mayor oposición a este movimiento que otras.

Cuanto mayor sea la temperatura a la que se encuentra sometido un material, mayor será la velocidad a la que se produce su oxidación, pues un aumento de temperatura activa el proceso de difusión de los átomos del material y del oxígeno en la capa del óxido.

Para aumentar su resistencia a la oxidación, el acero dulce se alea con otro material que tenga una energía de oxidación mayor y una velocidad de oxidación menor que la suya.

En ese caso, el material añadido se oxida primero debido a su mayor energía de oxidación; pero al formarse una capa de óxido el proceso de oxidación se frena, transcurriendo a partir de entonces a una velocidad muy lenta.

Corrosión

Cuando la oxidación de un material concreto se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas, se denomina corrosión. Ésta es mucho más peligrosa para la vida de los materiales que la oxidación simple, pues en un medio húmedo la capa de óxido no se deposita sobre el material, sino que se disuelve y acaba por desprenderse.

La corrosión no se verifica de una manera uniforme, sino que existen determinados puntos del material donde el ataque es mayor. Esto da lugar a la formación de importantes fisuras, que pueden llegar a producir una rotura por fatiga o una fractura frágil.

9.3. DENSIDADES DE MATERIALES METÁLICOS Y NO METÁLICOS