UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE INGENIERIA

CURSO

CIENCIA DE LOS MATERIALES I

MC 112

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

CAPITULO I

1. GENERALIDADES.

1.1 CONCEPTOS GENERALES
MATERIAL. Es todo aquello de lo que estn hechas las cosas.

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

CIENCIA DE LOS MATERIALES

Bsqueda de conocimientos bsicos sobre: estructura interna, propiedades y procesado de los materiales.

INGENIERIA DE LOS MATERIALES

Uso y aplicacin de conocimientos bsicos 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

2 CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES.

1.3 EVOLUCION EN EL USO DE MATERIALES.

Los materiales modernos en su mayora 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, conjuntamente con la evolucion del hombre.

FIG. 1.2 EVOLUCION DE LOS MATERIALES EN EL TIEMPO

4 DISEO DEL PRODUCTO, PROCESO DE FABRICACION Y SELECCION DE MATERIALES.

La relacin que existe entre el diseo de un producto y la seleccin de materiales es tan estrecha, que esta se concentra en las interacciones entre el diseo del producto, el proceso de fabricacin y la seleccin de materiales.

DISEO DEL PRODUCTO

DISEO DEL PROCESO

DISEO DEL EQUIPO

SELECCION DEL MATERIAL

Fig. 1.3 RELACION ENTRE DISEO DEL PRODUCTO, DISEO DEL PROCESO Y SELECCIN DEL MATERIAL

1.5 TENDENCIA DE LA PRODUCCION DE MATERIALES EN EL MUNDO

La tendencia mundial es usar mayores cantidades de materiales de bajos costos de produccin.

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

2. TIPOS DE MATERIALES

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

Materiales metlicos.Materiales cermicos.Materiales polimricos.Materiales semiconductores.Materiales compuestos.

2.1 MATERIALES METALICOS.

Son materiales cuyas caractersticas principales son:

Tienen estructura cristalina.

Son buenos conductores de la electricidad y el calor.

Poseen brillo metlico.

Tienen buenas propiedades mecnicas.

En estado natural la mayora de ellos se encuentran formando compuestos qumicos

A temperatura normal o ambiente se encuentran en estado slido a excepcin del mercurio.

1.5 MOTOR AUTOMOTRIZ APLICACIONES DE METALES Y SUS ALEACIONES

MOTOR PRATT & WHITNEY F 100 PARA UN AVION F 15 - EAGLE

2.2 MATERIALES CERAMICOS.

Son aquellos materiales cuyas caractersticas principales son :

Resistentes a altas temperaturas. Algunos de ellos poseen estructura cristalina. Son frgiles y tienen elevada dureza. Malos conductores de la corriente y el calor. Tienen bajo peso, reducida friccin, Tienen alta resistencia a cargas estticas. Resistentes al calor y la humedad, por lo cual son usados para fabricar aislantes elctricos, materiales compuestos y aislantes trmicos, Resistentes a la corrosin.

A los materiales cermicos los podemos clasificar en:

Cermicos tradicionales.Cermicos de ingeniera.CERAMICOS TRADICIONALES

Conformados por: arcillas, calizas, silicatos, caoln, puzolana, encontrados en la naturaleza y no refinados, con los cuales se fabrican: ladrillos, tejas, ductos, vajilla, adornos,

1.8 CERAMICA UTILITARIA DE DIFERENTES CULTURAS

1.10 MATERIALES CERAMICOS TRADICIONALES UTILIZADOS EN CONSTRUCCION CIVIL.

B. CERAMICOS DE INGENIERIA.
Generalmente formados por compuestos qumicos obtenidos en laboratorios, de al menos un elemento metlico y uno de los elementos no metlicos siguientes : Carbono, Oxgeno, Nitrgeno, Azufre, Fsforo, Silicio.
Ejemplos: Carburo de Silicio usado en la fabricacin de rotores, labes 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).

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

INJERTOS PARA HERRAMIENTAS DE CORTE POR MECANIZADO EN CARBURO DE SILICIO

COMPONENTES DE RODAMIENTOS EN NITRURO DE SILICIO.

BUJIA DE ENCENDIDO DE MOTOR DE COMBUSTION INTERNA

2.3 MATERIALES POLIMERICOS.

Estn constituidos, por una molcula bsica que se repite indefinidamente, llamada monmero o mer, a la cual se le puede adicionar otros elementos.

Entre sus principales propiedades tenemos :

Son malos conductores de la electricidad. Tienen alta resistencia a la humedad y la corrosin.Son llamados el impacto tecnolgico moderno sobre la vida diaria. Son materiales mayormente artificiales, dentro de los cuales los mas conocidos son los plsticos y los elastmeros.

Los plsticos a su vez pueden ser:

(a) termoestables y (b) termo deformables.

Ejemplos: El polietileno n(C2 H4), al cual para obtener el Acrlico se le adiciona O2, para el Nylon se adiciona N, para las siliconas Si; entre otros polmeros de aplicaciones muy difundidas, tenemos : Etileno vinil acetato (EVA),Poli etileno de baja densidad (LDPE), Poli etileno de alta densidad (HDPE), Poli propileno (PP),Poli estireno (PS), Policloruro de vinilo flexible (FPVC),Policloruro de vinilo rgido (RPVC),Poliuretano, Resinas epxicas. Resinas alqulicas.

Para aplicaciones especiales, tenemos : Las poliamidas (Kevlar muy alta resistencia a la tensin y compresin), poli acetonas (Polidietercetona termoplstico resistente a temperaturas medias, usado como base de circuitos impresos), el tefln, el benceno, el polister, etc., estos materiales pueden ser usados como fibras o partculas en materiales compuestos.

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 caractersticas principales son :

Son materiales que no son buenos conductores de la electricidad pero tampoco son buenos aislantes. El desarrollo de estos materiales han permitido que la electrnica en los ltimos aos haya alcanzado un avance espectacular, que ha hecho posible la confeccin de complejos circuitos en reas muy reducidas, del orden de los milmetros y nanmetros (espesor de aislantes de 2 dimetros atmicos).

Algunos de estos materiales as como algunos cermicos se transforman en superconductores a condiciones de temperatura muy bajas, actualmente son usados en sistemas de conduccin elctrica de alta tensin,

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

1.15 MATERIALES SEMICONDUCTORES USADOS EN COMPONENETES ELECTRONICOS

1.15 MATERIALES SEMICONDUCTORES ENSAMBLE DE UNA TARJETA ELECTRONICA

1.15 TARJETA ELECTRONICA CON MATERIALES POLIMERICOS Y SEMICONDUCTORES

2.5 MATERIALES COMPUESTOS.

En ingeniera se denominan materiales compuestos a dos o ms materiales distintos que difieren en forma y constitucin qumica, insolubles entre si, que se unen, para formar otro cuyas propiedades sean superiores o en algn modo mas importantes que la de sus componentes.

Entre estos materiales podemos mencionar los siguientes: mampostera, maderas reforzadas, concreto armado, fibras de carbono con resina epxica (fabricacin de flaps y alerones, en aeronaves), fibra de boro con resina epxica (usado en fuselaje del avin invisible), kevlar, nylon, polister + pegamento o resina epxica, usados en aeronutica civil y militar.

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

Estos materiales, tambin son usados en artculos deportivos de poco peso y gran resistencia mecnica, como raquetas de tenis, palos de golf; tablas de surfing, motonaves, tambin se usa el tefln y lmina de acero en menaje de cocina, fibra de vidrio y almas metlicas en partes automotrices, fibras naturales combinadas con fibras sintticas en la industria del vestir; mezclas asflticas con hormign, y muchos otros mas.

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

1.8 AVION COMERCIAL BOEING 737 APLICACIONES DE ALEACIONES METALICAS Y MATERIALES COMPUESTOS.

1.9 TRANSBORDADOR ESPACIAL CHALLENGER - APLICACIONES DE ALEACIONES METALICAS CERAMICAS Y MATERIALES COMPUESTOS.

1.10 LOSETA DE REVESTIMIENTO DEL FUSELAJE DEL TRANSBORDADOR ESPACIAL CHALLENGER - APLICACIONES DE ALEACIONES CERAMICAS Y MATERIALES COMPUESTOS.

3. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

3.1 PROPIEDADES MECANICAS.

Las tres propiedades mecnicas fundamentales de los materiales son: cohesin, elasticidad, plasticidad.

COHESION. Es la resistencia que oponen los tomos a separarse unos de otros. La cohesin 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 deformacin lo es especialmente para el adelgazamiento en forma de lminas delgadas, es llamada maleabilidad y si es en forma de hilos muy delgados se llama ductilidad. Estas propiedades son valoradas mediante el ensayo de traccin.

3.2 PROPIEDADES TERMICAS.

Relacionadas con la capacidad que tienen los materiales para poder transmitir el calor, las que pueden ser valoradas por: el coeficiente de conductividad calrica, calor especfico, capacidad calorfica, coeficiente de dilatacin (lineal, superficial, cbica), punto de fusin, punto de ebullicin, temperatura de cambio de fase.

3.3 PROPIEDADES MAGNETICAS.

Relacionadas con la capacidad que tienen los materiales para poder magnetizarse o imantarse, creando campos magnticos, las mismas que pueden ser medibles a travs de: Densidad de flujo (induccin magntica), permeabilidad magntica, susceptibilidad magntica, intensidad de campo magntico, envejecimiento magntico.

Segn su capacidad de magnetizacin los materiales pueden ser:

Ferromagnticos: Entre los cuales tenemos, el Fe, Ni, Co, que son materiales que poseen una gran capacidad de magnetizacin o imantacin.

b) Paramagnticos: Entre los cuales tenemos, el O2, Pt, Na, Al, Ca, Ti; que son materiales que presentan capacidad de magnetizacin dbil.

c) Diamagnticos: Son materiales que repelen las lneas de fuerza magntica y no se magnetizan, como por ejemplo: Cd, Cu, Ag, Sn, Zn, la madera, polmeros, cermicos.

3.4 PROPIEDADES ELECTRICAS.

Las propiedades elctricas de los materiales son una consecuencia de su estructura electrnica, la cual determina tres mecanismos de conduccin de la corriente elctrica en los materiales, haciendo que estos sean mayores o menores conductores de la corriente elctrica. Por lo general los materiales buenos conductores de calor son buenos conductores de la corriente elctrica.

Las propiedades elctricas de los materiales pueden medirse por: la conductividad, resistencia, capacitancia, inductancia, impedancia, etc. En los materiales metlicos se observa que la resistencia elctrica aumenta al aumentar la temperatura.

Los mecanismos que explican la corriente elctrica son:

Movimiento de iones. Cuando los materiales se forman iones positivos o cationes (+) y iones negativos o aniones (-) por la transferencia de electrones Movimiento de electrones. Se produce cuando los electrones se desplazan dentro de la nube electrnica, en las llamadas bandas de valencia, esto es caracterstico de los materiales metlicos. Por los huecos electrnicos. Es la que se produce cuando un electrn deja su lugar y este es ocupado por otro electrn producindose un flujo de electrones por este movimiento.

3.5 PROPIEDADES QUIMICAS.

Dadas en relacin, a la capacidad que tienen los materiales de combinarse unos con otros para formar compuestos qumicos, tales como: xidos, bases, cidos, sales, entre otros, en funcin a su nmero de valencia o estequiometra.

Las propiedades qumicas de los materiales, las podemos cuantificar mediante: nmero atmico, peso atmico, nmero de valencia, densidad, gravedad especfica, peso molecular, molaridad, normalidad, molalidad, entre otras.

3.6 PROPIEDADES OPTICAS.

Las cuales estn relacionadas con la capacidad de los materiales para absorber, refractar, reflejar, trasmitir la luz, estas pueden ser medibles por la transmitancia, transparencia, ndice de refraccin, ndice de reflexin, ndice de absorcin, grado de opacidad entre otros.

4. ENSAYOS.

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

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

4.1 PRINCIPALES ENSAYOS MECANICOS.

4.1.1 DUREZA.

Es una valoracin de la cohesin y se lo define define como la resistencia del material a una deformacin permanente en su superficie, bajo la accin de una carga determinada, o como la resistencia que ofrece un material a ser rayado, penetrado, erosionado, desgastado, altura de rebote, por otro que acta en su superficie. La dureza puede determinarse tomando como base varios procedimientos de resultados comparables

CLASIFICACION DE LOS ENSAYOS DE DUREZA

1. Ensayos por rayado.

Ensayo Marten (escala de Mohs). Limado.

2. Ensayos por identacin esttica.

Ensayo Brinell. Ensayos Rockwell.

b.1 Normal.

b.2 Superficial

Ensayo Vickers. Ensayo Knoop.

3. Ensayo dinmico por impacto o rebote.

a) Ensayo Shore (escleroscopio).

Entre otros ensayos de dureza para aplicaciones especifica. Tenemos:

4. Ensayo Leeb (HL). (durmetro porttil - rebote)

6. Ensayo Shore modificado (aplicado a polmeros).

7. Ensayo Barcol (aplicado a plsticos).

8. Ensayo por cepillado o rasurado (Plowing Test).

Ensayo Bierbaum.

9. Ensayo por amortiguamiento (Camping Test).

Ensayo Herbert.

10. Ensayo por corte (Cutting Test).

11. Ensayo por abrasin.

12. Ensayo por erosin.

A. DUREZA POR RAYADO.

Basado en la escala de Mohs, cuyo principio de aplicacin se basa en la precedencia rayado de los materiales, en cuya escala la dureza con el nmero 1 corresponde al material ms suave (talco) y el 10 al material mas duro (diamante):

TABLA N 1.1 ESCALA DE MOSH

N DUREZAMATERIAL1Talco 2Sal gema3Calcita4Flourita5Apatita6Feldespato7Cuarzo8Topacio9Corindn10Diamante

DUREZA A LA PENETRACION.

B.1 METODO BRINELL. (INGENIERO SUECO 1900)

Este mtodo lo ide el ingeniero sueco Brinell en el ao 1900. Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un dimetro determinado, sobre el material a ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo determinado

Fig. 1.4 PENETRADOR BRINELL

Ecuacin que permite calcular la carga para el ensayo Brinell

P = K x D2

P : Carga en kg.

K : Factor de acuerdo al tipo de material.

D : Dmetro de la bola.

FACTORES DE CARGA

Hierro y aceros..................... K = 30

Cobre, bronce y latones........ K = 10

Aleaciones ligeras................. K = 5

Estao y plomo..................... K = 2,5

TABLA N 1.3 TIEMPOS PARA EL ENSAYO BRINELL

MATERIALTIEMPOHierros y aceros10 a 30 segundosCobre, bronces y latones30 segundosAleaciones ligeras60 a 120 segundosEstao y plomo120 segundosMateriales muy blandos120 segundos

TABLA N 1.2 DIAMETRO DE LAS BOLAS Y CARGAS EMPLEADAS - METODO BRINELL

ESPESOR DE LA PROBETADimetro de la bolammCONSTANTES DE ENSAYO K301052,51,25CARGAS EN Kg30 D210 D25 D22,5 D21,25D2Superior a 6 mm1030001000500250125De 6 a 3 mm575025012562,531,2Menor de 3 mm.2,5187,562,531,215,67,81,2546,915,67,813,911,990,62511,73,911,9530,9770,488

La denominacin o nomenclatura de los ensayos se efecta mediante el siguiente smbolo:

HB (D/P/T)

En el que:

D : dimetro de la bola en mm.

P : la carga en Kg.

T : el tiempo de duracin del ensayo en seg.

As por ejemplo:

HB (10/3000/30)

Fig. 1.37 DUROMETRO BRINELL

TAB LA N 1.5 FACTORES PARA EL CALCULO DE LA RESISTENCIA A LA TRACCION PARTIENDO DEL NUMERO BRINELL

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

MATERIALFACTORAcero al carbono0,36Acero aleado0,34Cobre y latn0,4Bronce0,23

B.2 METODO ROCKWELL (1924)

PENETRADORES

a) Un diamante en forma de cono de 120 1, con la punta redondeada, con un radio de 0,2 0,01 mm, que se denomina tambin penetrador Brale.

b) Bolas de 1/8" y 1/16" , aunque tambin, 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 N 1.6 ESCALAS DE DUREZAS ROCKWELL (APRAIZ)

ESCALA DESIG-NACIONTIPO DEPRUEBATIPO Y TAMAODEL PENETRADORCARGAMENOREN KgCARGAMAYOREN KgESCALA DEL COMPARADORAPLICACIONESCOLORCOLOCACIONANormalCono de Diamante1060NegroFueraAceros nitrurados, flejes estirados en fro, hojas de afeitar,.Carburos metlicos (90 a 98)BNormalBola de 1/16 10100RojoDentroAceros al carbono recocidos de bajo contenido de carbono.CNormalCono de diamante10150NegroFueraAceros duros. Con dureza superior a 100 HRB o 20 HRCDNormalCono de diamante10100NegroFueraAceros cementados.ENormalBola de 1/8 10100RojoDentroMetales blandos, como antifriccin y piezas fundidas FNormalBola de 1/16 1060RojoDentroBronce recocidoGNormalBola de 1/16 10150RojoDentroBronce fosforoso y otros metales.HNormalBola de 1/8 1060RojoDentroMetales blandos con poca homogeneidad, fundicin de hierro.KNormalBola de 1/8 10150RojoDentroMetales duros con poca homogeneidad, fundicin de hierro.LNormalBola de 1060RojoDentroMetales duros con poca homogeneidad, fundicin de hierro.MNormalBola de 10100RojoDentroMetales duros con poca homogeneidad, fundicin de hierro.PNormalBola de 10150RojoDentroMetales duros con poca homogeneidad, fundicin de hierro.RNormalBola de 1060RojoDentroMetales muy blandos.SNormalBola de 10100RojoDentroMetales muy blandos.VNormalBola de 10150RojoDentroMetales muy blandos.15-NSuperficialCono de diamante315RojoDentroAceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza.30-NSuperficial Cono de diamante330RojoDentroAceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza.45-NSuperficial Cono de diamante345RojoDentroAceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran dureza.15-TSuperficial Bola de 1/16 315RojoDentroBronce ,latn y acero blando30-TSuperficial Bola de 1/16 330RojoDentroBronce ,latn y acero blando45-TSuperficial Bola de 1/16 345RojoDentroBronce ,latn y acero blando

Fig. 1.6 ESQUEMA DE LOS ENSAYOS ROCKWELL A Y C

NROCKWELL AROCKWELL C1Angulo de la punta del diamante = 120Angulo de la punta del diamante = 120 2Radio de redondeo de la punta del cono 0,2 mm.Radio de redondeo de la punta del cono 0,2 mm.3PoCarga previa = 10 KgCarga previa = 10 Kg4P1Carga adicional = 50 Kg Carga adicional = 140 Kg5PCarga total = 60 Kg (P = Po + P1)Carga total = 150 Kg (P = Po + P1)6Penetracin con la carga previa (punto de partida de la medicin)Penetracin con la carga previa (punto de partida de la medicin)7Penetracin total actuando la carga adicional.Penetracin total actuando la carga adicional.8fPenetracin permanente despus de quitar la carga adicionalPenetracin permanente despus de quitar la carga adicional9HRa HRcDureza Rockwell A = 100 - fDureza Rockwell C = 100 - f

Fig. 1.7 ESQUEMA DEL ENSAYO ROCKWELL B

NROCKWELL B1DDimetro de la bola2PoCarga previa = 10 Kg3P1Carga adicional = 90 Kg 4PCarga total = 100 Kg (P = Po + P1)5Penetracin con la carga previa (punto de partida de la medicin)6Penetracin total actuando la carga adicional.7ePenetracin permanente despus de quitar la carga adicional8HRbDureza Rockwell B = 130 - f

Fig. 1.40 DUROMETRO ROCKWELL

B.3 METODO VICKERS (HV).

Se deriva del mtodo Brinell, emplendose actualmente, sobre todo en laboratorios y en particular, para piezas delgadas y templadas, con espesores mnimos de hasta de 0,2 mm.

Utiliza como cuerpo penetrante una punta piramidal de diamante, de base cuadrada y un ngulo en el vrtice entre caras, de 136, con precisin obligada de 20 segundos

La determinacin de la dureza Vickers se hace en funcin de la diagonal de la huella o ms exactamente, de la media de las diagonales medidas con un microscopio en milsimas de milmetro.

Fig. 1.8 EL NGULO DE 136 DE LA PUNTA PIRAMIDAL VICKERS EST ELEGIDA PARA QUE SEA LA HUELLA TANGENTE A LA DE LA BOLA BRINELL.

Fig. 1.42 DUROMETRO VICKERS

B.5 DUREZA AL REBOTE METODO SHORE.

Mediante este mtodo 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 mquina o equipo usado para medir esta dureza es el Esclermetro 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 cilndrica con punta de diamante redondeado. La altura de cada es de 10" (25,4 cm), dividida en 140 partes iguales. Este mtodo no produce huella por lo que se considera un ensayo no destructivo.

FIG. 1.43 DUROMETRO SHORE

B.4. MICRODUREZAS

Generalmente se entiende por microdureza cuando la identacin 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 pequeas aun, el trmino est relacionado pues con el tamao de la carga de identacin y por lo tanto con el tamao de la huellas. Los mtodos ms usados son:

VICKERS: Europa.

KNOOP: U.S.A.

APLICACIONES.

Precisin en la medicin de dureza en piezas pequesimas. Aplicacin en puntas y alambres muy delgados. En la inspeccin de dureza de capas superficiales carburadas, nitruradas, carbonitruradas. Se puede medir la dureza en la seccin y no en la profundidad de dichas capas endurecidas. Medicin de dureza de micro constituyentes, de una aleacin.Medicin de durezas en superficies no deseables y descarburadas.Medicin de durezas de capas superficiales de electro deposicin metlica, relleno metalizado o en piezas recuperadas por soldadura.

METODO KNOOP.

Se emplea slo en laboratorios para medir durezas de lminas muy delgadas, incluso de depsitos electrolticos.

El penetrador es de diamante, de forma piramidal de base rmbica y utiliza cargas de 0,25 a 3,600 gramos, produciendo huellas rmbicas con las diagonales en la relacin de 7 : 11 y la diagonal menor sobre profundidad de penetracin de 4.0

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.

4.1.2 TRACCION.
El ensayo de traccin consiste en someter una probeta de forma y dimensiones determinadas, a un esfuerzo de traccin en la direccin de su eje axial hasta romperla.

PROBETAS DE SECCION RECTANGULAR - PLANCHAS

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

Para que los resultados de los ensayos sean comparables, las probetas utilizadas deben ser geomtricamente semejantes; para lo cual las probetas deben confeccionarse cumpliendo la siguiente ecuacin.

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

Curva de traccin.

Esfuerzo y deformacin de Ingeniera.

Esfuerzo y deformacin real.

Coeficiente de Poison.

Coeficiente de elasticidad.

Estriccin.

Resilencia .

Tenacidad.

A. CURVA DE TRACCION

Representacin grfica de la relacin de carga (fuerza) vs deformacin lineal, o de esfuerzo vs deformacin unitaria, obtenidos en el ensayo de traccin.

En la curva de traccin se determinan puntos y zonas (reas) importantes, que determinan el comportamiento y caractersticas de los materiales, tales como punto de proporcionalidad, fluencia, mximo, rotura; zonas como la elstica, plstica, fluencia, estriccin.

CURVA DE TRACCION

LEY DE HOOKE Y HOLLOMON EN TRACCION

CONDICIONES DE LA PROBETA DURANTE EL ENSAYO DE TRACCION

ESFUERZO Y DEFORMACION EN INGENIERIA

B. ESFUERZO DE INGENIERIA (ing ,0 ).

Relacin entre la fuerza uniaxial aplicada sobre un rea determinada de una probeta o elemento.

Donde:

F = Fuerza uniaxial (N, Kg, lb)

A0 = Area inicial (mm2, cm2, m2, pulg.2)

* Los esfuerzos en ingeniera se calculan empleando el rea inicial de la probeta o espcimen.

C. DEFORMACION UNITARIA EN INGENIERIA ( ing , 0)

Es el cociente del cambio de longitud de la muestra en la direccin de la fuerza de tensin uniaxial, entre la longitud original considerada.

(magnitud adimensional)

Donde :

l 0 = Longitud inicial

l f = Longitud final

l = lf l0 = Elongacin o estiramiento (deformacin longitudinal)

La deformacin tambin puede expresarse en porcentaje (%)

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

Es el cociente de una deformacin axial + z (deformacin axial) y una contraccin lateral -x o - y (deformacin lateral). En comportamiento isotrpico x y y son iguales.

Ideal = 0.5

Materiales reales = 0,25 a 0,4

Medio m = 0,3

D. COEFICIENTE DE POISON ().

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

Es el valor de la pendiente de la curva de deformacin, comprendida en la regin elstica, desde el punto de inicio hasta el punto donde la curva comienza a desviarse de la lnea recta. Est dado por la relacin:

Donde:

= Esfuerzo (lbf / pulg2 o psi, Pa, kgf /cm2)

= Deformacin unitaria

Los metales con alto mdulo de elasticidad son relativamente rgidos y no se deforman fcilmente.

TABLA 1.7 MODULO DE ESLASTICIDAD DE ALGUNOS MATERIALES

MATERIALMODULO DE ELASTICIDAD (E) x 10 6 psi GPaAleaciones de aluminio10,5 72,4 Cobre16,0 110,0Acero ordinario baja aleacin29,0 200,0Acero inoxidable28,0 193,0Titanio17,0 117,0Wolframio58,0 400,0

F. ESFUERZO DE PROPORCIONALIDAD (p)

Se define como el esfuerzo mximo correspondiente a la curva de proporcionalidad (lnea recta), de la curva esfuerzo vs deformacin, de un ensayo de traccin.

G. ESFUERZO LIMITE ELASTICO (ESFUERZO DE FLUENCIA O DE CEDENCIA). (f)

Se define como esfuerzo lmite elstico, aquel esfuerzo, para el que se produce una pequea cantidad definida de deformacin plstica. En USA. en diseo estructural, el lmite elstico se establece cuando ha tenido lugar un 0,2 % de deformacin plstica.

METODO OFFSET PARA DETERMINAR EL PUNTO DE FLUENCIA

H. ESTRICCION ().

Es la disminucin de la seccin en la fractura de una probeta, rota por traccin. Se inicia inmediatamente despus de la carga mxima produciendo deformacin localizada en la probeta formando lo que se le llama cintura o ausamiento en el material. Se expresa en %, y esta dada, por la ecuacin siguiente:

Donde : A0 = rea inicial.

Af = rea final.

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

ESTRICCION DURANTE EL ENSAYO DE TRACCION

I. ESFUERZO REAL (real).

Es la relacin entre la fuerza uniaxial media ejercida sobre la probeta, entre el rea de la muestra de seccin mnima en un instante.

Donde :

Fm = Fuerza uniaxial media sobre la probeta

Ai = Area de la muestra de seccin mnima en un instante.

El esfuerzo real, tambin se puede calcular en funcin al esfuerzo de ingeniera y la deformacin de ingeniera.

J. DEFORMACION REAL (real).

Es la deformacin instantnea que sufre el material (probeta) al aplicrsele la carga.

Considerando el volumen constante.

, Si A0 l0 = Ai li

CURVA DE INGENIERIA Y REAL

K. RESILENCIA DEL MATERIAL EN TRACCIN.(R)

Es la mayor cantidad de energa de deformacin por unidad de volumen que un material puede absorber, sin exceder su lmite de proporcionalidad. En el grfico Fuerza vs. Elongacin es el rea comprendida bajo la curva elstica.

Donde:

p : esfuerzo de proporcionalidad.

p : deformacin unitaria de proporcionalidad

L. TENACIDAD (T).

Es la cantidad de energa que puede absorber un material en traccin, hasta un instante antes de romperse. (Area total bajo la curva de traccin). Una ecuacin prctica para determinar la tenacidad es la siguiente:

Donde :

p : Esfuerzo de proporcionalidad.

mx : Esfuerzo Mximo.

R : Esfuerzo de rotura.

R : Deformacin unitaria de rotura.

M. FACTOR DE SEGURIDAD (fs).

Es la relacin entre el esfuerzo de fluencia del material y el esfuerzo de trabajo (calculado), La magnitud del coeficiente o factor de seguridad depende en gran parte de la exactitud con que sean conocidas las fuerzas externas que actan sobre una estructura, de la exactitud con que puedan ser calculados los esfuerzos existentes en los elementos de la estructura as como tambin de la homogeneidad de los materiales empleados

f : Esfuerzo de fluencia.

d : Esfuerzo de diseo.

4.1.3. ENSAYO DE IMPACTO

Uno de los mtodos mas sencillos de medir la tenacidad de un material es utilizando un aparato de ensayo de impacto (choque).

Los ensayos de impacto mas conocidos son el de CHARPY e IZOOD.

El Pndulo de Charpy est constituido por un martillo que pesa 22 Kg y que desarrolla 30 Kg x m en el momento del choque, donde su arista de choque la forman 2 caras inclinadas a 30, unidas por un radio de curvatura de 2 mm. La velocidad del martillo en el momento del impacto es de 4 a 7 m/s.

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

Longitud................................55 0,3 mm.
Los lados de la seccin........10 0,1 mm.
Entalladura2mm x 45
La temperatura de la probeta en el
momento del ensayo deber ser....20 5 C

ENSAYO DE IMPACTO

ENSAYO DE FLEXION

ECUACION PARA DETERMINAR EL MODULO DE ELASTICIDAD

Donde:

L : Longitud entre apoyos

F : Cargas de flexin

I : Momento de Inercia

f : Flecha.

f

D

P

HB

.

bola

la

de

n

penetracio

de

ofundidad

Pr

f

.

huella

la

de

Dimetro

d

.

bola

la

de

Dimetro

D

)

d

D

D

(

2

D

P

HB

2

2

p

=

=

=

=

-

-

p

=

)

(mm

S

(kg)

P

HB

2

=

141

80

%

-

=

HB

C

.

Pr

:

.

arg

:

854

,

1

2

mm

en

les

lasdiagona

de

omedio

d

kg

en

a

C

P

d

P

HV

=

2

d

P

2

,

14

HV

=

S

K

L

=

0

A

F

ing

=

s

0

0

0

l

l

l

l

l

f

ing

D

=

-

=

x

z

y

z

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al

longitudin

lateral

x

x

x

x

x

x

m

-

=

-

=

=

x

s

=

E

l

A

l

F

E

D

=

0

100

0

0

x

A

A

A

f

-

=

y

i

m

real

A

F

=

s

(

)

ing

ing

real

x

s

s

+

=

1

=

=

i

l

l

i

real

l

l

l

l

d

0

0

ln

x

i

i

i

i

A

A

l

l

A

A

l

l

0

0

0

0

ln

ln

=

=

i

real

A

A

0

ln

=

x

(

)

ing

real

x

x

+

=

1

ln

2

p

p

R

x

s

=

(

)

R

R

mx

p

T

x

s

s

s

3

=

d

f

s

f

s

s

=

.

.

f

I

L

F

E

48

=