manual introduccion tecnologia materiales-industrial

7/21/2019 Manual Introduccion Tecnologia Materiales-InDUSTRIAL

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Universidad Nacional Autnoma de Mxico

Facultad de Estudios Superiores Cuautitln

Ingeniera Industrial

Manual de prcticas

ING. ENRIQUE CORTS GONZLEZM. en I. FELIPE DAZ DEL CASTILLO RODRGUEZ


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CONTENIDO

1. El Microscopio Metalogrfico ..............................................................1

2. Preparacin de Muestras Metalogrficas ............................................5

3. Prueba de Dureza Rockwell ..............................................................11

4. Prueba de Tensin ............................................................................18

5. Prueba de Impacto ............................................................................23

6. Prueba de Torsin .............................................................................31

7. Deformacin Plstica y Recristalizacin de un Metal .............38

8. Reconocimiento de los Constituyentes del Acero al Carbono...........41

BIBLIOGRAFA .......................................................................................44


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Prctica 1

EL MICROSCOPIO METALOGRFICOOBJETIVOConocimiento y manejo del microscopio metalogrfico.

INTRODUCCIONEl microscopio metalogrfico es un instrumento que permite observar la luzreflejada por la superficie opaca del metal.

Figura 1.- Microscopio metalogrfico


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En el microscopio metalogrfico ms comn, la muestra de metal se dispone enla parte superior del aparato con la superficie a examinar vuelta abajo. Elobjetivo se halla colocado abajo de la platina, donde tambin se encuentra el hazde luz para iluminar la muestra. El haz de luz atraviesa el objetivo y al serreflejado por la muestra vuelve a pasar por ste para dar una imagen en elocular de observacin y/o en la cmara fotogrfica. El arreglo ms comnmenteusado es el ideado por Le Chatelier. Es una inversin del sistema objetivo-

platina, figura 1.

MATERIAL Y EQUIPO Microscopio metalogrfico provisto de ocular de 10X y objetivos de 6.5X,

10X y 40X Probetas de diferentes metales

Figura 2.- Microscopio metalogrfico con fuente externa


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INSTRUCCIONES PARA EL USO DEL MICROSCOPIO METALOGRFICO

PRECAUCIONES DE USO1.Al encender el microscopio, mantener la intensidad de luz lo ms baja

posible (controlada por la perilla de la fuente de iluminacin).2. Mantener apagada la fuente de iluminacin mientras no se encuentre en

uso el microscopio.3. Las probetas a observar deben estar secas y libres de impurezas.4. Evitar rayar los oculares y objetivos.

a) En caso de usar anteojos, quitrselos y observar sin ellos.b) Evitar que cualquier objeto extrao toque los objetivos y

oculares.c) No desbastar ni pulir cerca del microscopio.d) Desplazar los tornillos macromtrico y micromtrico con lentitud

para evitar que el objetivo choque con la muestra.

GLOSARIO DE TRMINOS Y FRMULAS

G = Aumento total del microscopiog1= Aumento del objetivo

g2= Aumento del oculard = Poder de resolucin del objetivo, o sea la distancia mnima entre dos lneas

separadas con ese objetivo. Depende de la apertura numrica y de lalongitud de onda.

a = Apertura numrica = Longitud de onda

Adems la apertura numrica (a) del objetivo, depende a su vez del ndice derefraccin del medio de inmersin, por lo cual solo es vlida para ese medio.


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El ojo humano es capaz de separar dos puntos distantes entre s 0.2 mmaproximadamente.

FRMULAS

.... (1)

.... (2)

.... (3)

CUESTIONARIO

1. Cul es el principio de funcionamiento del microscopio metalogrfico?

2. Explicar el funcionamiento de los tornillos macromtrico y micromtrico

3. En microscopa, qu se entiende por resolucin?

4. Para qu sirven los diafragmas de campo?5. Para qu sirven los diafragmas de abertura?

6. Explicar la tcnica de campo obscuro.

7. Explicar la tcnica de campo claro.

8. Explicar cmo funciona el microscopio electrnico.

9. En qu casos se utiliza aceite durante la observacin mediante el

microscopio metalogrfico?

10.PROBLEMA. Supngase que se quiere observar una estructura laminar

cuya separacin es de 0.2 micras, para lo cual se piensa utilizar un filtro

verde ( = 5300 ), si se utiliza un ocular de 10X.

a.) Determine el objetivo mnimo necesario para observar la estructura.

b.) Calcular la abertura del objetivo.


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Prctica 2

PREPARACIN DE MUESTRAS METALOGRFICAS

OBJETIVO1.- Aprender y poner en prctica la tcnica para la preparacin de muestrasmetalogrficas.

INTRODUCCINLa metalografa es el estudio de la constitucin y la estructura de los metales ylas aleaciones. La forma ms sencilla de hacerlo es examinando las superficies

metlicas a simple vista. Las tcnicas ms avanzadas se basan en laamplificacin de la superficie, mediante instrumentos pticos, para observar lascaractersticas estructurales microscpicas.

Los estudios pticos microscpicos proporcionan resultados que son tiles nosolo a los cientficos, sino tambin a los ingenieros. El examen de lamicroestructura es til para determinar si un metal, o una aleacin, satisfacenlas especificaciones en relacin con trabajos mecnicos anteriores,tratamientos trmicos y composicin general.

Un estudio de la microestructura nos permite llevar a cabo un anlisis de fallasmetlicas y de esta forma controlar procesos industriales.

Los cinco pasos que casi siempre se requieren para hacer una muestrametalogrfica son:

1.Corte2.Montaje. Si la muestra es muy pequea3.Desbaste4.Pulido5.Ataque, con un reactivo qumico adecuado

CORTE.- En general, se deben cortar uno o varios trozos pequeos del objetoque se va a examinar. La ubicacin de estas muestras y la forma en que secorten afectarn los resultados y su interpretacin. Por ejemplo, una varilla deacero estirada en fro puede cortarse en tal forma que quede expuesta unaseccin transversal o longitudinal, y ambas secciones variarn notablementeen su aspecto. En el caso del acero (y de algunas otras aleaciones), esnecesario evitar el calentamiento de la muestra al hacer el corte ya que esto


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puede alterar el estado de la superficie, que ms tarde deber pulirse yatacarse con cido. Casi siempre es conveniente realizar los cortes, utilizandoun medio refrigerante o hacerlo lentamente, a fin de que el calor generado enla pieza no altere su estructura.

Figura 1.- Cortadora de disco abrasivo

MONTAJE.- Si la probeta que va a examinarse es lo suficientemente grandepara que pueda sujetarse bien con la mano, no es necesario montarla. Noobstante, la mayora de las veces la probeta es demasiado pequea para que

pueda sostenerse en forma (por ejemplo, un tramo de varilla, alambre olmina) mientras se lija o pule, por lo que ser necesario montarla en algnmaterial plstico.

DESBASTE.- Este proceso se efecta usando lijas de grano cada vez ms fino.La lija se sostiene sobre una superficie plana y dura, que puede ser acero ovidrio y la muestra se lija sin seguir un movimiento oscilatorio, sobre la lija.Cuando se termina de lijar, en cada etapa, las marcas deben estar todas en lamisma direccin, como se muestra en la figura 1. Antes de continuar con lasiguiente lija ms fina, deben lavarse y secarse con cuidado las manos y lamuestra. Ahora, la probeta debe desplazarse en tal forma que las rayas hechas

por las distintas lijas formen ngulos rectos con las del inmediatamenteanterior. As puede verse con claridad si se han eliminado las rayas msgruesas que se hicieron en la operacin anterior, como se ve en la figura 1.


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Figura 1.- Desbaste a 90 en diferentes pasos.

PULIDO.- Este procedimiento se basa en el uso de una rueda cubierta con unpao, cargado con una suspensin de almina. Peridicamente se debe aplicaragua, para mejorar la accin pulidora y la limpieza. Al principio, la muestra sesostiene en una posicin sobre la rueda, sin hacerla girar, hasta que se hayaneliminado la mayora de las marcas anteriores. Luego puede girarse conlentitud en sentido contrario al de rotacin de la rueda hasta que solo puedanverse las marcas dejadas por la almina. La rotacin de la muestra reduce aun mnimo el peligro de formacin de ranuras, por las que se extraen del metal

partculas precipitadas.

Se procede a hacer el pulido final despus de lavar las manos y la muestra, afin de evitar cualquier contaminacin de la rueda de pulido. A esta ruedacubierta de tela se le aplica una suspensin de almina. La muestra se hacegirar con lentitud en sentido contrario al de la rotacin de la rueda y se pulehasta que desaparecen las marcas dejadas por la almina anterior. Losresultados del pulido pueden mejorar si la ltima etapa de pulido se efecta enuna rueda de baja velocidad.


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Figura 2.- Pulidora doble

ATAQUE QUMICO.- Un reactivo comn para atacar el acero es el nital, queconsiste de 2 por ciento de cido ntrico disuelto en alcohol etlico. El nital se

vierte en un recipiente y la muestra, lavada y secada previamente, sesumerge, agitndola suavemente durante un tiempo que oscila entre 5 y 20segundos. Inmediatamente despus, se lava la muestra con agua corriente, seenjuaga con alcohol y se seca.

Para otros metales y aleaciones se usan diferentes reactivos. Se recomienda latcnica de frotacin para ciertos metales y aleaciones en lugar de la tcnica deinmersin.

MATERIAL Y EQUIPO Barra de acero Cortadora de disco, con refrigerante Lijas de diferentes grosores Almina Nital al 2 % Algodn Alcohol Microscopio metalogrfico


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INSTRUCCIONES PARA PREPARAR UNA MUESTRA METALOGRFICA


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Examen MicroscpicoLa muestra se coloca en la platina de un microscopio metalogrfico de modoque su superficie est perpendicular al eje ptico. Puede observarse conamplificaciones diferentes, pero si se examina a 400x deben aparecerclaramente las laminillas de la perlita en una muestra de acero recocido. Si porel contrario, el ataque con cido ha sido excesivo, la perlita ser muy negra ylas laminillas individuales aparecern indistintamente. A veces un repulido muyligero, durante cinco o diez segundos, seguido de otro ataque qumico, mejorala claridad de la imagen. Con frecuencia esto no es necesario si el ataque se

produce por frotacin y no por inmersin.

CUESTIONARIO1.Por qu es necesario lijar bajo la presencia de un flujo constante de agua?

2.Por qu es conveniente desplazar en direccin radial la probeta durante el

pulido con almina?

3.Qu diferencias se observan entre una probeta de superficie distorsionada

y otra sin distorsin?

4.Qu efecto tiene un ataque qumico deficiente y un sobreataque?

5.Explicar por qu despus del ataque qumico se ven los lmites de grano.

6.Qu materiales plsticos se utilizan para el montaje de las muestrasmetalogrficas?

7.Por qu mejora el aspecto de algunas microestructuras al repulirlas y

volverlas a atacar?

8.Cul es la composicin del reactivo de ataque para el latn?

9.Se recomienda agregar alcohol etlico a las probetas para secarlas en la

ltima etapa del pulido. Por qu?

10.Cul es la composicin del reactivo de ataque para aluminio?


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Prctica 3

PRUEBA DE DUREZA ROCKWELL

OBJETIVOS1. Conocer la importancia de la medicin de la dureza como prueba

mecnica.2. Conocer las ventajas y limitaciones de la prueba de dureza Rockwell

INTRODUCCINDesde el punto de vista de ingeniera, la dureza se puede definir como: Resistencia a la penetracin Resistencia a la deformacin plstica localizada Resistencia al rayado

La dureza es funcin de otras propiedades mecnicas del material sobre todo desu lmite elstico y en menor grado de su tendencia al endurecimiento portrabajo y del mdulo de elasticidad. Si se tiene un material de composicin daday se conoce su historial, se puede relacionar su lmite elstico (para fines

prcticos, la resistencia a la fluencia), con la resistencia a la tensin, su ductilidady su tenacidad, por tanto las pruebas de dureza pueden proporcionar datos delos que se pueden derivar muchas propiedades mecnicas importantes y, puestoque las pruebas de dureza se pueden llevar a cabo fcil y rpidamente, se usanen forma amplia para controlar procesos, as como en control de calidad paramateriales y componentes.

Las pruebas de dureza comunes se basan en la aplicacin lenta de una cargaconstante a un penetrador o penetrador que se abre paso sobre la superficie lisade la muestra. Una vez que se quita la carga, se mide el rea o bien la

profundidad de la penetracin, lo cual indica la resistencia a la carga.

Una de las pruebas ms usadas en la industria es la prueba de durezaRockwell, habiendo muchas razones por las cuales esta prueba es tan popular,siendo algunas de ellas las siguientes:

a) Es sencilla de realizarb) La dureza se lee directamente en un dial o cartulac) No requiere demasiado entrenamiento para poder realizar la pruebad) Deja una huella muy pequea en la pieza


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e) Se puede medirmuy blandos htemplados y los

Se emplean dos tiposenetrador cnico de

dimetros de 1/16, 1/8,

Figura 1.- Penetrador

La prueba de dureza Rpara asentar el penetrdureza real depende ela carga principal.

la dureza de una amplia gama desta los muy duros, como puedenarburos sinterizados.

de penetradores en la prueba de duiamante (Brale) y el penetrador de e/4, 1/2de pulgada) que se ilustran en

nico de diamante (Brale)

Figura 2.- Penetrador de b

ockwell utiliza dos cargas: Una cargador en el material y una carga mayotonces de la profundidad diferencial e

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ateriales, desdeser los aceros

eza Rockwell: elfera o bola (con

las figuras 1 y 2.

la de 1/16 de plg

inicial o precargar o principal. Latre la precarga y


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Tipos de pruebas RockwellHay dos tipos de dureza Rockwell: normal y superficial.

Cada uno puede requerir el empleo de un durmetro distinto.

a) Prueba de dureza Rockwell normal.- Utiliza una carga menor de 10 kg y

cargas principales de 60, 100 150 kg.

b) Prueba de dureza Rockwell superficial.- Utiliza una carga inicial de 3 kg

y cargas principales de 15, 30 45 kg.

Precauciones previas a la prueba

a) Comprobar que el penetrador elegido no est daado ni desgastado

b) La superficie por probar debe ser plana y lisa

c) El yunque empleado debe estar limpio y sin daos

d) Si la pieza es redonda, rectificar una superficie plana para la prueba (si

no es posible, utilice los factores de correccin que se muestran en la

tabla 1)e) No realizar la prueba demasiado en la orilla de la pieza, o demasiado

cerca de una medicin previa.

f) La pieza debe tener un espesor adecuado para que no sea atravesada

por el penetrador.


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Figura 3.- Durmetro Rockwell

INSTRUCCIONES PARA EL USO DEL DURMETRO


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Figura 4.- Cartula del durmetro Rockwell


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CUESTIONARIO1. Qu importancia tiene en la Ingeniera la medida de la dureza de un

material?2. Qu materiales se miden con las escalas D, E, F, G, H y K?

3. Por qu es necesario utilizar un factor de correccin cuando de toman

medidas de dureza Rockwell en barras cilndricas con un dimetro

menor a 1 plg?

4. El factor de correccin de la pregunta anterior se suma o se resta de las

lecturas obtenidas.

5. Por qu no se deben tomar mediciones demasiado cercanas entre s?

6. Por qu no se deben tomar lecturas demasiado cercanas a la orilla de la

muestra?

7. En qu consiste la prueba de dureza Vickers?

8. Explicar cmo se realiza el ensayo de dureza Brinell.

9. En qu consiste la prueba de dureza Shore?

10.En qu consiste la escala de dureza Mohs?


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Prctica 4

PRUEBA DE TENSIN

OBJETIVO1. Efectuar la prueba de tensin.2. Comprender el significado y limitaciones de este ensayo.

INTRODUCCIONLa prueba de tensin es uno de los medios ms tiles que se emplean para

determinar las propiedades mecnicas importantes de materiales de ingeniera.Los detalles de procedimiento de la prueba varan de acuerdo con los diferentestipos de material; sin embargo, en la prueba de tensin ordinaria, an cuando setrata de distintas clases de materiales el procedimiento se efecta a latemperatura ambiente o prxima a sta, y la carga de tensin se aplicalentamente. Tambin, hay pruebas a otras temperaturas y a niveles muyelevados de carga, as como con cargas estticas que se aplican durante largotiempo; pero ninguna de estas se considera como una prueba de tensinordinaria. La exposicin siguiente se refiere a las pruebas de tensin demateriales metlicos hechas conforme a las especificaciones de la ASTM E8-61T.

En la figura 1 se ilustra una probeta cilndrica estndar que se utiliza para unaprueba de tensin. Los extremos de esta probeta, que se sujeta con soportesaserrados, tienen un acabado liso; para otros tipos de soportes se usan probetascon un borde o rosca en los extremos. La probeta debe maquinarsesimtricamente a lo largo de su eje longitudinal, para que la carga estdistribuida uniformemente en el corte transversal.

Figura 1.Figura 1.Figura 1.Figura 1.---- Probeta normalizada para la pruebaProbeta normalizada para la pruebaProbeta normalizada para la pruebaProbeta normalizada para la prueba de tensinde tensinde tensinde tensin

Las cargas se aplican ya sea mecnica o hidrulicamente en los dos tipos demaquinara de pruebas existentes. El mtodo mecnico de aplicar cargas tiene laventaja de proporcionar un medio conveniente para controlar la velocidad de


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deformacin, aunque por lo general se prefiere usar los sistemas hidrulicos.Debido a sus capacidades mayores y su bajo costo.

Existen muchas marcas distintas de mquinas para pruebas de tensin. En ellaboratorio se dispone de una mquina marca Dillon, de marcha automtica, concapacidad de carga de 5 toneladas, la cual se muestra esquemticamente en lafigura 2.

Figura 2.-

MATERIAL Y EQUIPO Mquina de tensin con todos los accesorios. Probetas de diferentes materiales. Calibrador vernier

AGUJAS

DINAMOMETR0

MORDAZAS

VOLANTE

BASTIDOR

BASE


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INSTRUCCIONES

CUESTIONARIO1.- Determine el porcentaje de elongacin y el porcentaje de reduccin de

rea de cada uno de los materiales utilizados en la prueba.

2.- Determine la resistencia o esfuerzo mximo a la tensin de los metalesprobados.

Lectura:o

mx

A

P=

3.- Por qu retrocede la aguja roja en el dinammetro de la mquina en laprueba de tensin?

4.- Qu carga se alcanza cuando se forma el cuello o estrangulamiento de laprobeta?

5.- Dibuje las dimensiones de la probeta utilizada en la prueba.

6.- Dibuje la fractura que se present y diga de que tipo es cada uno de losmateriales utilizados, de acuerdo a lo mostrado en la figura 3.

7.- Resuelva el siguiente problema: En una prueba de tensin se obtuvieronlos siguientes datos experimentales, de carga, alargamiento y otros.

do= 1.277 cm df= 0.8585 cm Carga Mxima

Af= lf= 5.8750 cm Pmax= 7808.8 kg


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Ao= lo= 5.0800 cm Carga de Ruptura

Pr = 7037.0 kg

P(kg)

Dist. entre puntos

(cm)

(kg/cm2)

535 5.08508

1108 5.09016

1621 5.09524

216 5.10032

2701 5.10540

4054 5.11810

5330 5.13080

6220 5.14350

6665 5.15620

6942 5.16840

7164 5.18160

7500 5.23224

7809 5.39750

7037 5.87502

a) Calcular los esfuerzos y las deformaciones en la tabla anterior.

b) Dibuje dos grficas en papel milimtrico de esfuerzo deformacin endos escalas de deformacin diferentes apropiadas, una para ladeterminacin de:

i. Esfuerzo de cedenciaii. Mdulo de elasticidadiii. Lmite proporcionaliv. Resistencia mxima

Otra para encontrar la tenacidad del material.

c) Calcule el porcentaje de elongacin y el porcentaje de reduccin derea del material.


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d) Determine

e) Determine

el esfuerzo mximo a la tensin y el es

la resistencia del material.

Figura 3.- Fracturas tpicas.

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uerzo de ruptura.


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OBJETIVO1. Efectuar una prueba de impacto Charpy con una probeta entallada.2. Comprender el significado y las limitaciones de este tipo de pruebas.

INTRODUCCIONEn la actualidad es un hecho conocido que el acero dctil puede tener uncomportamiento frgil bajo ciertas condiciones. Por ejemplo, durante la Segunda

Guerra Mundial se puso gran atencin a la fractura frgil de barcos construidos abase de soldadura, algunos de estos barcos se partieron completamente en dospartes, mientras que otros solo mostraban fracturas en algunas regiones. Lamayora de las fallas ocurrieron durante los meses de invierno; sin embargo,cabe mencionar que las fallas por fractura frgil se tienen en tanques, recipientesa presin, tuberas, puentes, etc.

Son tres los factores bsicos que contribuyen a la fractura frgil por clivaje:1. Un estado de esfuerzos triaxial.2. Baja temperatura.

3. Una velocidad de deformacin alta o una alta velocidad de aplicacinde la carga.

No es necesario que estn presentes estos tres factores a la vez para que seproduzca una fractura frgil. Por ejemplo, un estado de esfuerzos triaxial, comoel que se encuentra en una entalladura y baja temperatura son los responsablesde la mayora de las fallas en servicios por fractura frgil. No obstante, debido aque estos efectos se acentan a una alta velocidad de aplicacin de carga, sehace uso de las pruebas de impacto para determinar la susceptibilidad de losmetales a la fractura frgil.

Los aceros poseen propiedades idnticas cuando se someten a ensayos detensin o torsin, los cuales involucran velocidades bajas de deformacin, pero

pueden mostrar grandes diferencias en su tendencia a la fractura frgil cuando sesometen a pruebas de impacto con probetas entalladas.

Aparato para pruebas de impacto con probetas entalladasLa mquina consiste en un pndulo de oscilacin libre montado en un cojinete,un marco rgido y un yunque para sostener la probeta. La energa del impacto sehace variar cambiando la masa del pndulo, modificando la altura de la cada o


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mediante ambos procedimientos. La energa que absorbe la probeta es ladiferencia entre la energa que queda despus del impacto y la de entrada en elmomento de producirse el impacto. Como las vibraciones pueden absorberenerga, el pndulo y el sujetador de la probeta se disean de tal forma, que el

pndulo golpee a la probeta en su centro de percusin. El marco y el yunquedeben ser tambin muy rgidos para evitar que absorban energa pordeformacin. Las prdidas por friccin no pueden eliminarse totalmente, pero se

pueden determinar y hacer las correcciones necesarias cuando el caso lorequiera.

Figura 1.- Mquina de impacto Charpy


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Despus de que la muestra se rompe, el pndulo impulsa a una aguja indicadorade poco peso a lo largo de una escala calibrada para indicar la lectura en kg-m oen otras unidades de energa absorbida por la probeta.

En la figura 1 se muestra el dibujo de la mquina para pruebas de impacto conprobeta entallada.

La magnitud del trabajo de deformacin y destruccin se determina por ladiferencia de la energa potencial del pndulo entre el momento inicial y el finaldel ensayo.

E= P ( H - h )........(1)

Donde: P = peso del pndulo

H = altura inicial del pndulo

h = altura final del pndulo

L = longitud del pndulo

h = L (1 - COS)

H = L (1 - COS )

Y por lo tanto: E= PL (COS- COS ).......(2)

Esta ltima frmula sirve para el clculo del trabajo hpor los ngulos

medidosy.


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P y L son constantes.

Figura 2.- Mquina de pndulo tpica para prueba de Charpy

PROBETA PARA LA PRUEBA DE IMPACTOEn la figura 3 se muestra la probeta estndar, para la prueba de Charpy (vigasimplemente apoyada).

Figura 3.- Probeta tpica para prueba de impacto


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La entalladura estndar en forma de V es muy usada, debido a que se hace confacilidad utilizando una fresa especial. La profundidad de la entalladura debe sermayor de 2 mm, si lo que se quiere es determinar diferencias de tenacidad enmateriales muy dctiles.

Factores que afectan los resultados de una prueba de impacto

1. El tamao y la forma de la probeta.Para la mayora de los materiales metlicos usados en ingeniera, se hanestablecido normas bien definidas respecto al tamao y la forma de la probeta;as como la profundidad y lo pronunciado de la ranura.

2. La forma y lo pronunciado de la ranura.La forma y lo pronunciado de la ranura influyen en los resultados como semuestra en la tabla 1. Los datos de la tabla 1 corresponden a probetas de Charpyestndar de acero que tienen muescas de 5 mm con radio de 0.07mm.

Tabla 1Angulo de la muesca () 0 30 60 90 120 150

Tenacidad Charpy (kg-m) 3.36 3.41 3.51 3.93 6.36 10.1

Los datos de la tabla 2 corresponden a muestra estndar de Charpy de acero con0.05% de carbono y una muesca de 2 mm.

Tabla 2Radio de la raz de la muesca (mm) Agudo 0.17 0.34 0.68

Tenacidad de Charpy (kg-m) 0.61 0.17 1.25 2.08

Mientras menos profunda y aguda sea la ranura, mayor ser la diferencia entrelos resultados obtenidos con materiales tenaces y los de poca tenacidad. No

obstante, si la ranura tiene muy poca profundidad la probeta no se romper, porlo que casi siempre se prefiere la profundidad de 2 mm. Como es difcil maquinaruna ranura perfectamente aguda se ha adoptado generalmente un radio de 0.25mm para su vrtice.

El efecto de la ranura es concentrar esfuerzos. Cuando se produce una grieta enla raz de la ranura, el esfuerzo se intensifica enormemente y la grieta progresacon rapidez a travs de la seccin transversal. Sin la ranura, las probetas demuchos materiales slo se doblaran sin tener fractura y no podra medirse su


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capacidad para absorber energa. La respuesta de los materiales con la presenciade cambios abruptos en su seccin transversal es muy variada. La prueba deimpacto con probetas entalladas constituye una forma apropiada de estudiar estarespuesta, que se conoce como sensibilidad de entalladura de los materiales.

3. La temperatura de la prueba.

La temperatura tiene un efecto muy importante en los resultados de las pruebasde impacto de probeta entallada en algunas aleaciones, sobre todo en losmateriales de composicin ferrosa. La resistencia al impacto de una probetaentallada de estructura de acero cbica de cuerpo centrado disminuye casisiempre en forma brusca en el rango de temperaturas atmosfricas. Por ejemplo,un acero tpico puede presentar una reduccin en tenacidad de 70 libra-pie a 10

libra-pie, en el rango de temperaturas comprendido entre 80oF (27 C) y 40oF(4.5 C). De hecho, una de las aplicaciones ms importantes de los resultados delas pruebas con probetas entalladas es determinar la viabilidad de los distintosaceros para uso en climas fros.

Aplicacin de pruebas de impacto.- Adems de proporcionar datos sobre latenacidad, la sensibilidad de entalladura de los materiales y los efectos de latemperatura, estas pruebas son tiles tambin para determinar si algunasecuencia de proceso puede desarrollar el mximo de tenacidad en un material.Esto ltimo es especialmente til en relacin con las aleaciones ferrosas, en las

que se puede usar una variedad de ciclos de tratamientos trmicos para lograrun valor determinado de dureza o resistencia elstica. Estos ciclos detratamientos trmicos pueden tener un efecto variable en la tenacidad, porejemplo si se sobrecalienta la aleacin antes de enfriarla por inmersin en agua,esta tiende a engrosar el tamao de los granos de austenita y afectar latenacidad, aunque no perjudica mucho su dureza. De la misma manera, algunastemperaturas y procedimientos de templado pueden causar fragilidad (fragilidadde temple y de revenido) y prdida de tenacidad. La dureza de estas piezas maltempladas es satisfactoria; pero no la tenacidad.

Aspecto de la fractura.- Las probetas que sufren fracturas siempre debenexaminarse con cuidado. Si su superficie es suave y lisa, ello indicar un tamaode grano fino y ductilidad en los aceros. Mientras que un aspecto grueso significafragilidad, falta de tenacidad y probablemente un recalentamiento antes delendurecimiento. Con frecuencia se aprecian dos zonas distintas, una suave y lisa,donde se inici la fractura dctil, y otra de grano grueso, donde se produjo lafractura frgil.


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MATERIAL Y EQUIPO Mquina de impacto de Charpy Probetas con muesca en V tipo Charpy Calibrador

INSTRUCCIONES PARA EL ENSAYO CHARPY

Figura 4.- Colocacin de la probeta


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CUESTIONARIO

1. Por qu las probetas de impacto tienen una pequea ranura?

2. Cul es el efecto general de la temperatura en la tenacidad del acero de

bajo carbono?

3. Dibuje, con dimensiones, la probeta utilizada en la prueba.

4. Cul es el rea efectiva de la fractura (cm2)?

5. Calcule la energa absorbida por unidad de superficie en la fractura.

6. Por qu cree usted que no se rompi totalmente la probeta? Qu hara

para que se rompiera totalmente en la prueba?

7. Diga que factores pueden alterar el valor obtenido en la prueba.8. Represente grficamente los siguientes datos que corresponden a la

prueba de impacto de varias muestras de un mismo tipo de acero.

TEMPERATURA (C) ENERGIA ABSORBIDA (kg-m)

-62.2 2.2,1.5,1.24,1.35

-51.1 1.5, 1.24, 1.10, 1.16

-40.0 1.50, 1.24, 0.96, 1.34

-28.8 2.20, 1.98, 1.70, 2.15

-17.7 3.3, 2.3, 1.80, 2.13-12.2 4.4, 3.04, 2.9, 2.8

4.4 6.22, 3.87, 4.76, 5.05

21.1 11.05, 7.7, 6.90, 7.5

37.7 14.5, 12.9, 12.8, 10.5

48.8 16.04, 15.48, 14.79, 14.33

60.0 15.48, 15.21, 14.93, 14.70

71.1 16.45, 15.76, 15.83, 16.50

82.2 17.28, 16.18, 16.2, 17.093.3 17.28, 16.6, 16.31, 16.80

9. En la grfica anterior, cul es el rango de la temperatura de transicin?

10.Explicar cmo se realiza el ensayo de impacto Izod.


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- 31 -

Prctica 6

PRUEBA DE TORSION

OBJETIVOS1. Determinar el mdulo de elasticidad al esfuerzo cortante (G) de diferentes

metales por medio de un ensayo de torsin.2. Calcular el esfuerzo cortante en una barra de seccin circular sometida a

torsin.

INTRODUCCIONLos elementos mecnicos como ejes, flechas y resortes se encuentran sujetos amomentos torsionantes, debido a las cargas a que estn sometidos. Paradeterminar la resistencia a la torsin de un eje, es necesario realizar una pruebade torsin, que consiste en someter una barra de seccin circular a la accin deuna carga P aplicada a una distancia Rpcon respecto al centro de la barra comose muestra en la figura 1.

Figura 1.- Barra sometida a torsin.

Considrense dos secciones A y B de una barra circular sometida a torsin,figura 2, en la que:T = Momento de torsin, en kg-cm.L = Longitud entre las secciones A y B de la barra circular, en cm.rb= Radio de la barra circular, en cm.= Deformacin angular de un eje, entre dos secciones (Ay B), en radianes.= ngulo de torsin en la barra al ir del puntoAal puntoA, en radianes.


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- 32 -

Si se considera el arco CD, de la figura 2 se puede ver que est relacionado conel ngulo de la siguiente forma:

Arco AA = L= rb En donde:

)1.....(L

rb=

Figura 2.- Condiciones de prueba

Por otra parte se demuestra en mecnica de materiales que el ngulo esdirectamente proporcional al momento de torsin y est dado por la ecuacin:

)2.....(JG

TL

=

Despejando a G se obtiene:

)3.....(J

TLG =


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- 33 -

Donde:

G = Mdulo de elasticidad al esfuerzo cortante en kg/cm2

J = Momento polar de inercia en cm4

Para una seccin circular J est dado por:

)4.....(32

4d

J

=

donde d = dimetro de la barra en cm.

Para una barra de seccin transversal circular la distribucin de los esfuerzoscortantes es como se muestra en la figura 3. Dentro del rango elstico deesfuerzos, la deformacin es proporcional al esfuerzo, lo cual se expresa por larelacin:

)5.....( G=

Sustituyendo (1) y (3) en (5) se obtiene:

)6.....(J

Tr=

Donde:

r = radio de la barra.

Figura 3.- Variacin del esfuerzo cortante a travs de una seccin circular.


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MATERIAL Y EQUIPO Aparato de torsin con pesas y medidor de cartula. Barras de bronce y acero de diferentes dimetros. Regla. Vernier.

INSTRUCCIONES PARA EL ENSAYO DE TORSIN


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- 35 -

Figura 4.- Aparato de torsin

Figura 5.- Extensmetro


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Para medir el ngulo d

consideracin lo siguienSi es pequeo S S1

en radianes.

Obtenga los siguientes Dimetro de la Longitud de la Material de la Longitud del ra Longitud del br

CUESTIONARIO

1.- Determinar el m

elstico al corte (a) Comparar el ng

momento de torermanece const

Llene la siguiente

S1

torsin por medio del medidor de car

e:(figura 6), entonces:

R

S=

Figura 6

atos:barra: dbarra: Larra:

dio de la polea que se va a utilizar: Rpazo sujeto a la barra: R

mento de torsin (T), ngulo de torsi

) del metal probado.

ulo de torsin de la barra de secciin Tque lo produce. La longitud dente.

tabla con lecturas y clculos:

- 36 -

tula se tendr en

() y el mdulo

n circular con ela barra bajo giro


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- 37 -

Carga

P

(kg)

Desplazamiento

S

(mm)

Momento de

torsin T

(kg-cm)

Angulo de

torsin

(rad)

Mdulo de

elasticidad G

(kg/cm2)

0.2

0.4

0.7

0.9

1.2

1.7

1.9

2.2

2.7Promedio

Incluir los clculos en el reporte.

2.- Grafique el momento de torsin (T) en funcin del ngulo de torsin .

T

(kg-cm)

(radianes)

a) Compare el mdulo de elasticidad al corte (G) con el valor encontrado en

la bibliografa de Mecnica de Slidos.

b) Determinar el esfuerzo cortante mximo al que fue sometida la barra

probada.


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- 38 -

Prctica 7

DEFORMACIN PLSTICA YRECRISTALIZACIN DE UN METAL

OBJETIVOS

1. Estudiar los efectos de la deformacin plstica sobre las propiedades

de un metal2. Estudiar el efecto del recocido sobre un metal previamente trabajado

en fro

INTRODUCCIN

La mayor parte de materiales cuando son sometidos a un esfuerzo mayor a suresistencia a la fluencia muestran una deformacin permanente o norecuperable llamada deformacin plstica, siendo sta el resultado de undesplazamiento de tomos o molculas desde su posicin original en la red,

esto quiere decir que los tomos no regresan a su posicin inicial una vez queel esfuerzo ha dejado de actuar.

Los materiales cristalinos como los metales sufren deformacin plstica comoresultado del deslizamiento de los tomos a lo largo de planos cristalogrficosdefinidos. Cuando la cantidad de deslizamiento aumenta, ser ms y msdifcil seguir deformando al metal, hasta que el flujo plstico finalmente cesa

para un esfuerzo dado. El deslizamiento puede iniciarse otra vez nicamentecuando se aplica un esfuerzo mayor. Este fenmeno se conoce comoendurecimiento por deformacin o endurecimiento por trabajo en fro. Ambos

trminos se aplican alternativamente y no son equivalentes a decir que elesfuerzo de corte necesario para causar deslizamiento aumenta siempredespus de una deformacin plstica previa.

La deformacin plstica de metales bajo la accin de una fuerza aplicada es degran importancia en la fabricacin y formado de metales. Debido al efecto deendurecimiento por deformacin hay un aumento considerable en la dureza,resistencia a la fluencia y resistencia mecnica de los metales trabajados enfro, aunque tambin se presenta una marcada disminucin en la ductilidad ytenacidad de un metal como se puede apreciar en la figura 1.


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Figura 1.- Variaci

porcentaje en

Al calentar un metal

suficientemente alta s

trabajo en fro, los cua

el metal sus propiedad

MATERIAL Y EQUIPO

Elementos para

Elementos para

Reactivo de ataq

Yunque y martill

Microscopio met Mufla

Durmetro

Latn

de algunas propiedades mecnicas

fro del latn Cu+ 30 Zn (porcentaje

previamente trabajado en fro a

eliminan la mayora de los efectos

les no son termodinmicamente esta

s originales.

esbaste

ulido mecnico

e

logrfico

- 39 -

n funcin del

n peso)

na temperatura

causados por el

les, recuperando


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- 40 -

INSTRUCCIONES

CUESTIONARIO

1.- Sobre la base de las observaciones hechas y las mediciones de durezadescriba el fenmeno de deformacin plstica y recristalizacin de un metal.2.- Cules son las tres principales etapas metalrgicas que se presentan

durante el tratamiento trmico de recocido?3.- Cmo se diferencian las bandas de deslizamiento de las bandas dedeformacin?4.- Cules son los cinco factores importantes que afectan al proceso derecristalizacin de los metales?

5.- Una lmina de latn Cu + 30 Zn (porcentaje en peso) es laminada en frode 0.090 a 0.064 pulg. a) Qu cantidad de trabajo en fro debe soportar lavarilla (ver figura 1)

b) Estimar la resistencia a la tensin, el esfuerzo a la fluencia y elporcentaje de elongacin.

6.- Una varilla de latn Cu + 30 Zn (porcentaje en peso) debe tener unaresistencia a la tensin de 45 ksi y un dimetro final de 0.230 pulg. a) Qucantidad de trabajo en fro debe soportar la varilla (figura 1) .b) Cul debe ser el dimetro inicial de la varilla?


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Prctica 8

RECONOCIMIENTO DE LOS CONSTITUYENTES

DEL ACERO AL CARBONO

OBJETIVOS

1.Distinguir los constituyentes y las fases de los aceros al carbono.

2.Evaluar la dureza, la resistencia y la ductilidad de un acero al carbono de

acuerdo a su contenido de ferrita y perlita.

INTRODUCCIN

Estrictamente hablando, los aceros al carbono son aleaciones formadasnicamente por hierro y carbono. Sin embargo, en la prctica un acero alcarbono contiene un porcentaje muy pequeo de otros elementos, los cuales

podemos considerar que estn presentes como impurezas, ya que no escosteable tratar de eliminarlos durante el proceso de obtencin del acero. Dentrode estos elementos podemos mencionar al silicio, manganeso, fsforo y azufre.

En el hierro puro hay tres fases slidas: alfa ( ), gama ( ) y delta ( ).Estas tres fases se conservan para las aleaciones Hierro-Carbono (verdiagrama de fases), en las cuales la fase alfa recibe el nombre de ferrita y lafase gama recibe el nombre de austenita. Podemos encontrar as mismo losconstituyentes perlita y cementita.

Cabe mencionar que las fases anteriores estarn presentes en un acero alcarbono, cuando las condiciones de enfriamiento del acero desde el estadolquido se llevan a cabo en condiciones de equilibrio.

Dependiendo del contenido de carbono, las propiedades mecnicas del aceroal carbono varan. Entre las propiedades ms importantes podemosmencionar:

Resistencia a la cedencia Resistencia mxima a la tensin Ductilidad Dureza Tenacidad Mdulo de elasticidad


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Es importante tener presente que para un acero el contenido de carbono y ladureza guardan una relacin estrecha.

Aqu obtendremos la relacin entre el contenido de carbono y la dureza.

MATERIAL Y EQUIPO

Microscopio metalogrfico

Probetas de acero ya preparadas de diferentes contenidos de carbono

INSTRUCCIONES

CUESTIONARIO

1.Diga qu porcentaje aproximado de perlita tiene cada una de las muestras

determinando la cantidad del rea que ocupa en el campo observado.

2.Determine la cantidad de carbono (%C) aproximadamente de cada una de

las muestras. Para ello haga uso del diagrama Fe-C y de la regla de la

palanca.

3.Qu relacin puede obtener usted entre el contenido de carbono (%C) y la

dureza a partir de los datos anteriores.

4.Diga como vara la ductilidad de un acero con el contenido de carbono (%C).

5.Diga como vara la resistencia mxima a la tensin con el contenido de

carbono (%C).


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6.De acuerdo a la pregunta anterior Cul de las probetas debe ser la ms

resistente?

7.Qu es una reaccin eutectoide?8.Diga qu cantidad de fase proeutectoide tiene cada una de las muestras.

9.El hierro es alotrpico. Qu significa esto?

10.Explicar qu es un acero 41xx, de acuerdo con las normas SAE-AISI.

Figura 1.-Diagrama de fases hierro-Fe3C

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

0.69

0.800.02

2.03

2.05

1153

1147

4.25

4.30

730

723

1493

0.51

1390

1534

oo

o

o

o

910

500

o

o

o

o

C % (EN PESO)


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BIBLIOGRAFA

1.- Tcnicas de Laboratorio para Pruebas de MaterialesKeyser, Carl A.LIMUSA. Mxico. 1986.

2.- Introduccin a la Ciencia de Materiales para IngenierosShackelford, James F.Pearson. Mxico. 2010.

3.- Ciencia de Materiales para IngenieraKeyser, Carl A.LIMUSA. Mxico. 1992.

4.- Laboratorio de Ensayos Industriales. MetalesGonzlez Arias, Antonio.Ed. Nueva Librera. 2008.

5.- Introduccin a la Metalurgia FsicaAvner, Sidney H.Mc. Graw Hill. Mxico. 1990.

6.- Fundamentos de Ingeniera y Ciencia de MaterialesAskeland, Donald R.Cengage Learning. Mxico. 2010.

7.- Mecnica de MaterialesHibbeler, Russell C.Pearson. Mxico. 2011.

8.- Mecnica de MaterialesFitzgerald, Robert W.

Alfaomega. Mxico. 2009.

9.- Metals HandbookAmerican Society for Metals. U.S.A. 10th. Edition.

10.- Manual de Prcticas de Ciencia e Ingeniera de MaterialesSnchez V., Mara Elena.

Just in Time Press. Mxico. 2004.

manual introduccion tecnologia materiales-industrial

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