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folleto: guia de practicas de laboratorio
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Laboratorio de Ciencia de Materiales II
Folleto Guía de Prácticas
Escuela Politécnica Nacional
Facultad de Ingeniería Mecánica
Departamento de Materiales
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
Revisión: Marzo 2015
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
1
ÍNDICE DE CONTENIDO
Práctica No1
ÍNDICE DE CONTENIDO ......................................................................................................... 1
Práctica Nº 1 ........................................................................................................................... 3
Tema: ........................................................................................................................................ 3
Objetivo: ................................................................................................................................... 3
Revisión teórica ....................................................................................................................... 3
Análisis metalográfico ............................................................................................................ 3
Materiales y equipos. .............................................................................................................. 5
Procedimiento. ........................................................................................................................ 5
Referencias. .............................................................................................................................. 5
Informe. (máximo 4 páginas/2 hojas) ................................................................................... 6
Práctica Nº 3 ........................................................................................................................... 7
Tema: ........................................................................................................................................ 7
Objetivos: ................................................................................................................................. 7
Revisión teórica. ...................................................................................................................... 7
Procedimiento. ...................................................................................................................... 11
Referencias ............................................................................................................................ 11
Preparatorio .......................................................................................................................... 12
Informe ................................................................................................................................... 12
Práctica Nº 4......................................................................................................................... 13
Tema: ...................................................................................................................................... 13
Objetivo: ................................................................................................................................. 13
Revisión teórica. .................................................................................................................... 13
Materiales y equipos. ............................................................................................................ 17
Procedimiento. ...................................................................................................................... 17
Recomendaciones. ................................................................................................................. 18
Referencias ............................................................................................................................ 18
1. Consulta el alcance (scope) de la norma ASTM A255 .................................................... 18
2. ¿Qué es la descarburación de los aceros? ........................................................................ 18
3. De acuerdo a la composición química del acero Bohler K-455 (acero que se utilizará
en la práctica), cuál es la temperatura de austenitización según la norma ASTM A255. 18
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
2
Informe (máximo 4 páginas/2 hojas) .................................................................................. 18
Práctica Nº 5 ......................................................................................................................... 20
Tema: ...................................................................................................................................... 20
Objetivo: ................................................................................................................................. 20
Revisión teórica. .................................................................................................................... 20
Referencias ............................................................................................................................ 26
Materiales y equipos. ............................................................................................................ 26
Preparatorio .......................................................................................................................... 27
Informe ................................................................................................................................... 27
Práctica Nº 6 ......................................................................................................................... 28
Tema:Materiales compuestos: polímeros reforzados con fibras. ..................................... 28
Objetivos: ............................................................................................................................... 28
Revisión teórica. .................................................................................................................... 28
Referencias ............................................................................................................................ 31
Materiales y equipos. ............................................................................................................ 32
Materiales. ............................................................................................................................. 32
Equipo ................................................................................................................................... 32
Procedimiento ....................................................................................................................... 32
Informe ................................................................................................................................... 33
Práctica Nº 7 ......................................................................................................................... 34
Tema: ...................................................................................................................................... 34
Objetivo: ................................................................................................................................. 34
Revisión teórica. .................................................................................................................... 34
Referencias ............................................................................................................................ 36
Materiales y equipos. ............................................................................................................ 36
Materiales. ............................................................................................................................. 36
Equipo ................................................................................................................................... 36
Procedimiento ....................................................................................................................... 36
Informe ................................................................................................................................... 37
Hojas de Datos y Coloquios .................................................................................................. 38
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
3
Práctica Nº 1
Tema: Análisis Metalográfico en Aleaciones Ferrosas
Objetivo:
Realizar el análisis metalográfico de una probeta de un material ferroso extraída
de un elemento de aplicación específica, en base a las normas de la ASTM E-112 y
ASTM A-247.
Relacionar la microestructura de la probeta seleccionada con sus propiedades y
características.
Revisión teórica
Análisis metalográfico
El análisis metalográfico es un método que permite conocer las características
microestructurales de un material. Al efectuar una investigación sobre una muestra
representativa de un material, un modo altamente efectivo para conocer las características
intrínsecas del mismo es mediante la interpretación de la información que revela un
análisis metalográfico.
La microestructura revela las propiedades con las que la pieza bajo estudio cuenta en
determinada condición y, por tanto, el desempeño funcional esperado.
La metalografía consiste en el estudio de la constitución y estructura de los metales y
aleaciones. La información que puede cubrir el análisis metalográfico va más allá, se
pueden revelar datos sobre los tratamientos mecánicos sufridos por el material, como por
ejemplo si el material del que se extrajo la probeta fue laminado o forjado; también se
podría revelar si el material tiene un tratamiento térmico.
Las probetas pueden ser extraídas, en términos generales, de cortes transversales o
longitudinales de los elementos, con las siguientes consideraciones acerca de la
información que se podría llegar a obtener:
CORTE TRANSVERSAL
•Naturaleza del material.
•Aleantes.
•Tratamiento térmico al que se ha sido sometido el material.
•Matriz metálica.
•Homogeneidad.
•Segregaciones.
•Inclusiones.
•Proceso de fabricación.
•Defectos del material.
CORTE LONGITUDINAL
•Proceso de fabricación.
•Tratamiento térmico al que ha sido sometido el material.
•Inclusiones.
•Defectos del material.
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
4
Fotografía 0.1Corte transversal.
Metalografía de una acero ferrítico
perlítico, no tratado térmicamente[1]
Fotografía 0.2Corte longitudinal.
Metalografía de un acero
laminado en caliente terminado
en frío, se observa la perlita
alineada en la dirección de
laminación (EPN-LDM 100x).
La interpretación correcta de esta información de la microestructura del material, puede
llevar a la deducción de ciertas propiedades mecánicas y de forma consecuente se podrá
hacer un acercamiento a las aplicaciones más adecuadas para el mismo.
El examen de la microestructura es muy útil para determinar si un metal o aleación
satisface las especificaciones en relación a trabajos mecánicos anteriores o normas,
tratamientos térmicos y composición general. La microestructura es un instrumento para
analizar las fallas metalográficas y para controlar procesos industriales.
Una vez comprendido el objetivo del análisis metalográfico y su método, en la presente
práctica se relacionará la microestructura de distintos materiales ferrosos con sus
aplicaciones y, determinará cómo influyen los materiales aleantes y tratamientos térmicos
sobre las: características, propiedades y posibles aplicaciones del material.
Los estudiantes deberán obtener una metalografía de una probeta extraída de un
elemento escogido por cada grupo de trabajo, del cual se deberá conocer su procedencia,
aplicación y posible composición; de tal forma, que con la información obtenida se pueda
realizar un trabajo preparatorio en el que se va a investigar el material posible, su
metalografía, propiedades y aplicaciones para posteriormente comparar este trabajo
preparatorio con la metalografía realizada en el laboratorio.
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
5
Ilustración 0.1 Procedimiento para realizar una metalografía.
Fuente: Propia
Con los resultados de la investigación y comparación se habrá obtenido la información
necesaria para poder realizar el análisis de resultados y concluir el trabajo.
Materiales y equipos.
Materiales
Probetas de elementos mecánicos de metales ferrosos
Reactivos
Imágenes de análisis Metalográficos
Equipo.
Equipo para preparación de probetas metalográficas
Microscopio metalográfico
Procedimiento.
1. Observar en el microscopio varias probetas de aleaciones ferrosas e identificar sus
microestructuras con ayuda de los ayudantes de laboratorio.
2. Anotar los datos del elemento a analizar
3. Realizar el ataque químico de la probeta del elemento analizar.
4. Observar en el microscopio la probeta del elemento a analizar, identificar sus
microestructuras, de ser el caso, identificar tamaño de grano, tipo, tamaño y forma
del grafito.
Referencias.
[1] Rescatado de http://farm5.static.flickr.com
[2] ASM , Metals Handbook. Vol. 9: “Metallography & Microstructures”
[3] AVNER, Sydney; “Introducción a la Metalurgia Física”
• Corte longitudinal o transversal de la probeta.
• Desbaste grueso de la superficie a ser estudiada.
• Desbaste fino: lija de 240, 320, 400, 600
• Pulido grueso: Alúmina 1µm
• Pulido fino: Alúmina 0,3µm
• Ataque químico.
• Observación microscópica de la muestra
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
6
Preparatorio. (Máximo dos páginas)
1. Consultar el alcance (scope) de las normas a utilizar en las prácticas: ASTM A247 -
ASTM E112.
2. Consulte la influencia del tamaño de grano en las principales propiedades
mecánicas de un material.
3. Consulte en qué consiste la relación Hall-Petch
Informe. (máximo 4 páginas/2 hojas)
1. Tema
2. Objetivos (los mismos de la práctica)
3. Datos obtenidos y Calculados:
3.1 Características del elemento mecánico, y propiedades del material del cual
se está realizando el análisis.
3.2 Realizar un documento técnico (cuadro similar a un WPS) de la
especificación de cada metalografía, donde debe constar lo siguiente:
1. Imagen metalográfica junto con la descripción de la muestra analizada
(tipo de material, matriz observada, tamaño de grano según ASTM E112 -de ser el
caso-, tipo-tamaño y forma del grafito -según corresponda- en el caso de tener una
fundición según ASTM A247, etc.); 2. Reactivo utilizado en el ataque químico; 3.
Aumento Utilizado 4. Imagen de una Metalografía similar a cada microestructura
observada en la práctica, junto con la descripción de la misma, que se puede
encontrar en el Metals Handbook. Vol. 9: “Metallography & Microstructures” de la
ASM.
4. Análisis de resultados:
- Comparar lo observado en cada metalografía de la práctica con las imágenes
consultadas en el Metals Handbook Vol. 9.
- En base a la metalografía obtenida relacionar las propiedades de la microestructura
observada con las propiedades del elemento mecánico del cual se extrajo la probeta en
análisis.
5. Aplicaciones industriales:
- Consultar en qué consiste el ensayo de réplica metalográfica y su aplicación en la
industria.
6. Conclusiones y Recomendaciones
7. Bibliografía consultada
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
7
Práctica Nº 3
Tema: Ensayo Charpy.
Objetivos:
Observar el comportamiento del acero A-36 a diferentes temperaturas bajo carga
de impacto.
Revisión teórica.
El ensayo Charpy mide la tenacidad relativa de un material, es decir, su capacidad de
absorber energía de forma violenta antes de fracturarse. Los ensayos Charpy e Izod se
encuentran normalizados bajo la norma ASTM E23. Los ensayos de impacto, son ensayos
dinámicos, que están destinados a observar el efecto de una carga de impacto que
produzca un esfuerzo sobre una probeta normalizada.
Un ensayo de impacto es un ensayo dinámico en el cual por efecto de un golpe se rompe
una probeta normalizada y se mide la energía absorbida al romperse dicha probeta.
La probeta utilizada en el ensayo Charpy es una pieza de medidas 10x10x55mm ranurada
con una muesca en V (Ilustración 0.1), en este ensayo la probeta está apoyada como una
viga simple. La ranura de la probeta es un concentrador de esfuerzos geométrico por este
motivo gran parte de la energía absorbida se acumula en la superficie inmediatamente
adjunta a la ranura.
Ilustración 0.1Probeta normalizada para ensayo Charpy.[1]
Resumiendo, el ensayo Charpy medirá la cantidad de energía absorbida antes de la rotura
por una probeta normalizada mediante un ensayo de impacto a una temperatura dada,
generalmente esta temperatura también estará normalizada.
En la mayoría de los casos el ensayo Charpy se realizará bajo la Norma ASTM E23 pero
puede cambiar si se encuentra citada bajo otra norma que rija: la cantidad de ensayos, la
temperatura de ensayo, el lugar de extracción de las probetas y los parámetros de la
cantidad de energía que deberían absorber las probetas. Por ejemplo, la Norma API 5L
para tuberías de línea de petróleo, determina un ensayo Charpy en probetas extraídas de
las tuberías dependiendo del conformado de la tubería, en el que se realizarán varios
ensayos a temperatura ambiente.
Existen otras normas en las que se especifican ensayos a temperaturas bajo cero grados
centígrados, la temperatura como variable del ensayo Charpy es muy importante. Existen
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
8
aceros que pueden ser muy sensibles a la variación de la temperatura inclusive en el rango
ambiental. Este comportamiento es muy importante debido a que la resistencia en general
del material puede disminuir considerablemente llegando a fallar bajo relativamente
pequeñas cargas de impacto, este fenómeno fue ampliamente estudiado a raíz de la falla de
varias embarcaciones de la Armada Estadounidense que navegaban en aguas a bajas
temperaturas.
Se puede hacer un análisis comparativo variando la temperatura del ensayo de tal forma
que se registren varios valores de energía absorbida conforme varía la temperatura, de
esta forma se puede estudiar el comportamiento del acero y determinar una zona de
transición donde el comportamiento del material pase de dúctil a frágil.
El péndulo del ensayo Charpy es una máquina bastante simple desde el punto de vista
mecánico. Los aspectos principales de una máquina de impacto pendular y de un solo
impacto son: una masa móvil, un yunque y apoyo sobre el cual se coloca la probeta y un
medio para cuantificar la energía residual de la masa móvil (Ilustración 0.2).
La norma ASTM E23 indica que el extremo de la masa pendular debe presentar un ancho
de aproximadamente de 4mm, redondeada con un radio de 8mm y debe pesar 29,7kg. En
el caso del ensayo de impacto Izod se usará la misma máquina y la diferencia se encuentra
en la forma de apoyar la probeta en el yunque, en el caso del ensayo Izod será colocada en
cantiliver.
El péndulo es elevado hasta su posición más alta y sostenido por un tope ajustado para dar
una altura de caída constante para todos los ensayos. Se suelta el péndulo para conseguir
fracturar la probeta al momento de impactar la masa que está colocada en el extremo del
brazo contra la probeta. La energía absorbida por la probeta, Ea, se determina a través de
la diferencia entre la energía potencial del péndulo antes y después del impacto.
Se deberá determinar la posición inicial de la masa, dada por el ángulo α y la posición final
a la que llega el martillo después de impactar la probeta de igual forma definida por un
ángulo (β), a continuación se consideraría la ecuación siguiente para el cálculo de la
energía absorbida durante la prueba:
Ea=MgL [cos(β)-cos(α)]
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
9
Ilustración 0.2Máquina universal para ensayo de impacto; posición de probetas para
ensayo Izod y Charpy. [2]
Lógicamente, estas variables se encuentran predeterminadas en las máquinas universales
de ensayo de impacto bajo la norma ASTM E23; la masa, la longitud de brazo, y la posición
inicial del martillo. La única variable que quedaría por encontrar sería la posición final del
péndulo, pero la máquina, provista de un elemento de cuantificación de la energía, evitará
este proceso de cálculo mostrado directamente la energía absorbida por la probeta.
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
10
Ilustración 0.3Ejemplo de Curva de transición dúctil – frágil para un acero. [3]
En el ensayo Charpy al mantener constante el material y variar la temperatura se pueden
obtener, dos tipos de fractura: dúctil o frágil. Cada una de ellas dependientes directamente
de la cantidad de energía que puedan absorber la probeta antes de la rotura.
Además este comportamiento es propio o característico de cada material a pesar de que
sea relativo en mayor o menor medida de la temperatura.
No existe un criterio único para determinar cuantitativamente cuando una fractura es
dúctil o frágil, pero se dice que el comportamiento dúctil es caracterizado por una
absorción de energía mayor que la requerida para que un material se fracture frágilmente.
Adicionalmente, el comportamiento dúctil tiene asociado altos niveles de deformación
plástica en los materiales, una fractura frágil mostrará, en cambio, muy poca deformación
plástica y una superficie llana de rotura.
La transición de la falla de dúctil a frágil usualmente se lleva a cabo en un rango de
temperaturas atmosféricas debido al efecto de la ranura de las probetas y de la rápida
velocidad de deformación para reducir la deformación plástica.
En los materiales puros, la transición dúctil-frágil debe ocurrir a una temperatura
determinada, sin embargo para muchos materiales esta transición ocurre en un rango
amplio de temperaturas el cual está dado por la composición específica de cada material.
Arriba de alguna temperatura crítica las fracturas son dúctiles, con una absorción de
energía que puede ascender muchas veces la del rango de fracturas frágiles.
Entre estas temperaturas queda la que ha sido denominada “rango de temperaturas de
transición” en la cual el carácter de la fractura puede ser mixto este rango puede ser muy
corto o brusco para algunos aceros o puede alcanzar una gran amplitud para otros
(Ilustración 0.3), en este caso mucho dependerá de la composición química, tratamientos
térmicos o procesos de fabricación a los que haya sido sometido el material.
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
11
Materiales y equipos.
Materiales.
7 Probetas para ensayo Charpy
2 lt. de alcohol industrial
1 kg de hielo seco
Equipo
Máquina universal para ensayo de impacto
Pinzas auto-centrantes
Termocupla
Calentador eléctrico
Procedimiento.
1. Preparar 7 probetas para ensayo Charpy, según Norma ASTM-E23.
2. Preparar la máquina universal para ensayo de impacto.
3. Hacer una medida de energía remanente, sin carga, en la máquina de ensayo de
impacto.
4. Colocar en un recipiente el alcohol industrial con el hielo seco.
5. Colocar 4 probetas dentro del recipiente con el alcohol y el hielo seco, hasta que
alcancen los -50:C.
6. Con las pinzas auto-centrantes colocar una probeta en la máquina de ensayo de
impacto.
7. Medir la temperatura de la probeta ya colocada en la máquina, una vez
comprobada la temperatura de ensayo (-50:C, -30:C, -15:C, 0:C, 10:C, Tamb y 50:C
en cada caso) se tienen 5 segundos para efectuar el mismo.
8. Tomar la medida en la escala de la máquina.
9. Graficar y medir el área de la sección transversal de rotura.
10. Repetir los pasos 6, 7, 8 y 9 para las probetas N2, N3, N4, N5.
11. Calentar la probeta N5 hasta los 50:C usando el calentador eléctrico.
12. Repetir los pasos 7, 8 y 9.
13. Repetir los pasos 7, 8 y 9 para la probeta a temperatura ambiente.
Referencias
[1] ASTM, Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials
E23-12c, num 25, pp 2.
[2]http://descom.jmc.utfsm.cl/sgeywitz/sub-paginas/Materiales/ensayos.html
[3] http://www.monografias.com/trabajos46/fracturas-mecanicas/fracturas-
mecanicas2.shtml
[4] SMITH, William; “Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales”
[5] CALLISTER, William, " Materials Science and Engineering : An Introduction"
[6]http://www.sv.vt.edu/classes/MSE2094_NoteBook/97ClassProj/anal/yue/energy.htm
l
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
12
Preparatorio
1. Descripción del ensayo de impacto.
2. Descripción del ensayo Charpy (Ver Norma ASTM E-23).
2.1. Geometría
2.2. Procedimiento
2.3. Equipo necesario
3. ¿Qué es la temperatura de transición y sus efectos en los materiales?
4. Influencia de la temperatura en la fractura de un material.
5. Características y propiedades de materiales dúctiles y frágiles.
6. Características generales de una fractura dúctil y frágil.
Informe
1. Tema
2. Objetivos
3. Datos obtenidos
3.1 Tabla de de datos obtenidosTemperatura y Energía.
3.2 Fotografías de la zona de fractura.
4. Datos Calculados
4.1 Gráfica: Energía Vs. Temperatura
4.2 Cálculo de porcentajes de deformación utilizando las áreas obtenidas desde las
fotografías.
5. Análisis de resultados
6. Aplicaciones industriales
7. Conclusiones y recomendaciones (Nombre estudiante 1)
8. Conclusiones y recomendaciones (Nombre estudiante 2)
9. Bibliografía consultada
Comentario [CD1]: Aclaración de datos que deben encontrarse en la tabla.
Comentario [CD2]: Adjuntar fotografías obtenidas después del ensayo
Comentario [CD3]: Explicación de cómo realizar el porcentaje de deformación
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
13
Práctica Nº 4
Tema: Ensayo Jominy (Templabilidad de los aceros).
Objetivo:
Realizar el ensayo Jominy de templabilidad en un acero por medio del uso del
equipo disponible en el laboratorio con el fin de verificar la variación de sus
propiedades mecánicas y su microestructura.
Analizar la transformación martensítica de los aceros
Revisión teórica.
La templabilidad de un acero es la propiedad que determina la profundidad y
distribución de la microestructura producida por temple y es utilizada para describir la
habilidad de una aleación para ser endurecida por la formación de martensita como
resultado de un tratamiento térmico, lo que se manifiesta en la dureza alcanzada en el
material tratado.
La martensita (Fotografía 4.1) se puede definir como una estructura cristalina
metaestable formada por una solución sólida intersticial sobresaturada de carbono,
fuertemente distorsionada con una base tetragonal de cuerpo centrado.
Fotografía 4.1 Estructura Martensita. [1]
La transformación martensítica es el producto de un tratamiento térmico con
velocidades de enfriamiento altas, en dicho tratamiento el acero será llevado hasta la
temperatura de austenización, esta temperatura de austenización variará con el contenido
de carbono (como se puede analizar en el Diagrama de Equilibrio Fe-C).
La austenita (Fotografía 4.2) es una solución sólida intersticial de carbono en hierro γ,
posee una estructura CCC y mucha mayor solubilidad en estado sólido, la máxima
solubilidad en estado sólido del carbono en la austenita es del 2,08% a 1148ºC y
disminuye a un 0,8% a 723ºC [5]
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
14
Fotografía 4.2Estructura Austenita.[2]
Hasta este punto, las transformaciones alotrópicas sufridas por el material se han llevado
a cabo de forma lenta, permitiendo que por medio de un proceso de difusión los átomos
puedan movilizarse y organizarse en su estructura dependiendo de la cantidad de energía
que contenga. La energía que el material va a contener será provista por la mufla en la que
se llevará a cabo el tratamiento térmico en su parte inicial (calentamiento), la mufla
proveerá la cantidad de energía suficiente en forma de calor como para que se inicie el
proceso de difusión de los átomos del acero.
Una vez que todo el material ha sufrido la transformación alotrópica y ha alcanzado la
microestructura austenítica (CCC) se procederá a un enfriamiento rápido, templado en
agua, para alcanzar una velocidad alta de enfriamiento.
En el momento de realizar el templado, segunda parte del tratamiento, la velocidad de
enfriamiento alta no permitirá que se lleve a cabo el proceso de difusión, produciendo la
sobresaturación del carbono en el hierro. Estos átomos intersticiales de carbono retenidos
en sus posiciones de “alta temperatura” producen la distorsión de la celda unitaria
quedando está en una formación tetragonal de cuerpo centrado y dando a la martensita su
característica alargada y puntiaguda.
La estructura al interior de estas formaciones alargadas está densamente poblada por
dislocaciones. Con contenidos de carbono superiores al 1% de carbono la martensita
estará cubriendo la totalidad del material en forma de láminas [5].
Tómese en cuenta que el factor importante de la transformación martensítica radica en el
aumento de solubilidad del hierro γ (CCC) y en el enfriamiento, es la velocidad del mismo
la que no permite que el proceso de difusión se desarrolle impidiendo que los átomos
retomen posiciones en una microestructura de equilibrio. Entonces, la disminución de la
solubilidad en la transformación alotrópica a hierro α (BCC) es la que determina la
distorsión de la red cristalina propia de la martensita cuando los átomos de carbono
quedan retenidos en una red de menor solubilidad.
Retomando el concepto de templabilidad, entonces se puede concluir que la facilidad con
la que se formará la martensita dependerá de factores como: la velocidad del enfriamiento
en el templado y de la cantidad de carbono, el tamaño de grano austenítico y los elementos
de aleación.
La velocidad de enfriamiento
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
15
La velocidad de enfriamiento es determinante al momento de obtener una estructura
martensítica, para cada acero y sus diversas composiciones, se deberá asegurar el
sobrepasar la velocidad de enfriamiento crítica a partir de la cual velocidad superiores
logren conseguir estructuras únicamente martensíticas, una gran cantidad de información
se puede obtener de las curvas de tratamiento térmico en las cuales se podrá determinar
la velocidad mínima de enfriamiento para la obtención de diferentes estructuras en el
templado.
El tamaño de grano de la austenita
Un grano muy fino tiene mucha área de borde de grano que facilita la nucleación de ferrita
y perlita, disminuyendo la templabilidad del acero. Por otra parte, un grano grande de
austenita no es deseable porque reduce la ductilidad final del acero y aumenta la
tendencia al agrietamiento en el temple, así pues, no es buena práctica hacer crecer el
grano de la austenita.
El aumento del contenido de carbono
Un incremento del contenido de carbono (C) en un acero aumenta fuertemente su dureza
y su templabilidad. Sin embargo, un alto porcentaje de C no siempre es deseable con fines
de conseguir un buen material en referencia a las propiedades mecánicas.
Un contenido de carbono superior al 1% de carbono producirá en el material una altísima
cantidad de dislocaciones que darían una dureza elevada pero también una alta fragilidad.
Elementos de aleación
Los elementos de aleación tratarán de evitar la transformación de la austenita a otras
microestructuras como la bainita o la perlita.
Ilustración 4.3 Dispositivo
Jominy.[3]
Un procedimiento estándar que es ampliamente
utilizado para determinar la templabilidad es el
ensayo Jominy [7,8].
El proceso del ensayo Jominy especificado bajo
norma ASTM A255, consiste en colocar la probeta
estandarizada (Ilustración 4.) en un horno a 850oC
durante media hora (temperatura de
austenitización).
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
16
Para posteriormente realizar un procedimiento de templado diferenciado, mediante el
dispositivo Jominy (Ilustración 4.3). Una vez extraída la probeta del horno, no puede
transcurrir más de 5seg para que la misma sea colocada en el dispositivo de Jominy. Una
vez colocada la probeta se dejará correr el agua durante 10 minutos, previamente se
deberá probar la altura del chorro de agua para cumplir con la estandarización
especificada en la Ilustración 0.1; para este propósito la máquina de ensayo Jominy debe
estar prevista de dos válvulas una de globo y una de compuerta, con la válvula de
compuerta se predeterminará el flujo de agua de tal forma que la válvula de globo abierta
en totalidad permita que el chorro alcance la altura debida.
Ilustración 0.1Chorro de agua estandarizado. [10]
Ilustración 4.4 Probeta estándar para
ensayo Jominy. [9]
Al rociar agua en la cara inferior de la probeta,
esta actúa como superficie templante que
enfría la probeta longitudinalmente hacia su
extremo superior sólo por conducción,
obteniéndose así una gradación de velocidades
de enfriamiento desde la máxima, en el
extremo templado, a la mínima en el opuesto
[7].
Luego, la elaboración de un mapeo de durezas
a lo largo de la probeta permitirá extraer una
curva de templabilidad del material que se ha
probado.
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
17
Ilustración 4.5 Gráfico obtenido del ensayo Jominy para un acero 1050.
Materiales y equipos.
Materiales
Probeta estandarizada de acero para el ensayo Jominy
Equipos
Mufla
Dispositivo Jominy
Durómetro
Calibrador
Equipo de seguridad para manejo de la mufla y elementos de alta temperatura.
Procedimiento.
1. Preparar 1 probeta para ensayo Jominy, que será sometida al tratamiento térmico.
2. Encender la mufla, calentar y luego mantener las probetas a 870oC (temperatura
de austenización) durante media hora.
3. Extraer la probeta de la mufla y colocarla en el dispositivo Jominy (esta acción no
debe sobrepasar los 5seg).
4. Realizar lecturas de dureza, como se indica: cada 3,5mm los primeros 500mm y
cada 5mm hasta alcanzar el otro extremo de la probeta.
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
18
5. Llenar la hoja de datos.
Recomendaciones.
Regular el funcionamiento del chorro de agua en el dispositivo Jominy.
Retirar y movilizar con precaución las probetas de la mufla hacia el dispositivo.
Ubicar de manera adecuada la probeta asegurando que solo la cara inferior sea
rociada con el chorro de agua.
Referencias
[1] Fuente:http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/martensi.html
[2] Fuente: http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm
[3] SMITH, William; “Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales”
[4] SCHAFFER, James; “Ciencia y diseño de ingeniería de los materiales”
[5] ASTM, Norma ASTM A 255, para ensayo Jominy de templabilidad
[6] http://www.youtube.com/watch?v=qW0aUbTWtVM
[7] CURVAS TTT PARA TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS Y DE ENFRIAMIENTO CONTINUO.
[8] GONZALES, Oswaldo; “Templabilidad, Ensayo Jominy”
[9] ASTM 255 (2010) Standard Test Methods for Determining Hardenability of Steel.
[10] http://www.techniques-ingenieur.fr/glossaire/jominy
Preparatorio. (Máximo dos páginas)
1. Consulta el alcance (scope) de la norma ASTM A255
2. ¿Qué es la descarburación de los aceros?
3. De acuerdo a la composición química del acero Bohler K-455 (acero que se utilizará en
la práctica), cuál es la temperatura de austenitización según la norma ASTM A255.
Informe (máximo 4 páginas/2 hojas)
1. Tema
2. Objetivos (los mismos de la práctica)
3. Datos obtenidos
3.1 Régimen de tratamiento térmico
3.2 Tabla Dureza y Distancia.
3.3 Dimensiones de la probeta utilizada
4. Datos calculados
5.1 Curva: Dureza – Distancia del extremo templado
5. Análisis de resultados
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
19
5.1 Explique qué factores influyeron en la dureza obtenida después del ensayo
realizado, y como los controlaría.
5.2 Análisis de durezas obtenidas en la probeta
6. Aplicaciones industriales
7. Conclusiones y Recomendaciones
8. Bibliografía consultada
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
20
Práctica Nº 5
Tema:Tratamiento térmico del bronce al aluminio.
Objetivo:
Realizar un tratamiento térmico para bronces al aluminio y verificar la variación
de las propiedades mecánicas y su microestructura.
Analizar la transformación martensítica en la aleación cobre-aluminio.
Revisión teórica.
Fotografía 0.1Alubronce, Cu 90%, Al 10%. [5]
Los bronces al Aluminio (Fotografía
0.1) son un tipo de bronce en los que
el aluminio es el principal metal de
aleación. La variedad de bronces al
aluminio de diferentes
composiciones que han encontrado
uso en la industria son los que
contienen entre 5% al 11% en peso
de aluminio.
Otros agentes de aleación tales como el hierro, níquel, manganeso y silicio también pueden
ser añadidos para conseguir diversas propiedades mejoradas.
Los bronces al aluminio son muy valorados por su buenas propiedades mecánicas y
resistencia a la corrosión en comparación con otras aleaciones de bronce. Estas aleaciones
presentan bajas tasas de corrosión en exposiciones a la intemperie, además de bajos
índices de oxidación a altas temperaturas, y una muy destacable baja reactividad a los
compuestos sulfurosos de los gases de escape y otros productos de la combustión.
También son resistentes a la corrosión en ambientes salinos incluso, en exposición directa
al agua de mar.
La buena resistencia a la corrosión de los bronces al aluminio recae en el componente de
aluminio de las aleaciones, que reacciona con el oxígeno atmosférico para formar una capa
superficial de alúmina delgada y dura superficial (óxido de aluminio), que actúa como una
barrera a la corrosión.
Otra notable propiedad de los bronces de aluminio son sus efectos biostáticos. El
componente de cobre de la aleación impide la colonización de organismos marinos,
incluyendo algas, líquenes, percebes y mejillones, y, por tanto, puede ser preferible al uso
de aceros inoxidables o de otro tipo de aleaciones no cúpricas en aplicaciones en las que se
quiera evitar ese tipo de colonización de organismos.
Dentro de la selección de materiales es importante el estudio de las aplicaciones de
materiales que no son comunes mediante su tratamiento adecuado, en este orden,
elementos de bronce al aluminio con la composición y tratamiento térmico adecuados
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
21
pueden sustituir a materiales como los aceros en aplicaciones específicas, constituyendo
esta una tarea de selección e ingeniería de materiales.
En el siguiente cuadro (Tabla 0.1) se enumeran las aleaciones de bronce aluminio forjado
estándar bajo las denominaciones ISO 428.
Los porcentajes indican la composición proporcional de la aleación en peso. El cobre es el
resto por el peso y no consta en la lista:
Aleación Aluminio Hierro Níquel Manganeso Zinc Arsénico
CuAl5 4.0% - 6.5% 0.5% max 0.8% max 0.5% max 0.5%
max 0.4% max
CuAl8 7.0% - 9.0% 0.5% max 0.8% max 0.5% max 0.5%
max
CuAl8Fe3 6.5% - 8.5% 1.5% - 3.5% 1.0% max 0.8% max 0.5%
max
CuAl9Mn2 8.0% - 10.0% 1.5% max 0.8% max 1.5% - 3.0% 0.5%
max
CuAl10Fe3 8.5% - 11.0% 2.0% - 4.0% 1.0% max 2.0% max 0.5%
max
CuAl10Fe5Ni15 8.5% - 11.5% 2.0% - 6.0% 4.0% - 6.0% 2.0% max 0.5%
max
Tabla 0.1Denominaciones ISO 428 para aleaciones Bronce Aluminio.[5]
Tratamiento térmico de los bronces al aluminio
El principal tratamiento térmico que se realiza a las aleaciones no ferrosas es el
endurecimiento por envejecimiento o precipitación, en el cual se trata de reforzar la
aleación con la creación de una dispersión densa y fina de partículas precipitadas en una
matriz de metal deformable, estás partículas precipitadas actuarán como obstáculos del
movimiento de las dislocaciones y de esta forma reforzarán la aleación.
Para que una aleación bimetálica pueda endurecerse por medio del tratamiento de
precipitación debe cumplir ciertas características, para una composición dada de un
sistema debe existir una solución sólida terminal que tenga una solubilidad en estado
sólido decreciente a medida que la temperatura disminuya.
El diagrama de fases de la Ilustración 0.1 muestra un sistema de aleación Aluminio Cobre,
en el extremo donde el aluminio ocupa al menos el 90% en peso. En el diagrama se puede
observar entre los puntos A y B, la línea de decrecimiento de la solubilidad sólida del
sistema y su decrecimiento conforme a la disminución de la temperatura.
En este caso el tratamiento de envejecimiento es aplicable. Pero qué sucede cuando se
quiere mejorar las propiedades de una aleación para la que su composición no muestra la
disminución de la solubilidad parcial en estado sólido conforme disminuye la temperatura.
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
22
Entonces, se debe analizar el diagrama de equilibrio para tratar de aplicar un tratamiento
térmico que adecuado para el sistema y la composición de la aleación. En la Ilustración se
observa el diagrama de equilibrio para dicho sistema de aleación cobre-aluminio, en el
cual el aluminio es el elemento de menor contenido en peso.
Como se puede observar en la Ilustración , entre los punto A y B, como la solubilidad sólida
no decrece conforme decrece la temperatura, claramente, no se podría realizar el
tratamiento de precipitación para mejorar las propiedades de dicho material.
Ilustración 0.1Diagrama de fases Aluminio Cobre, para altos contenidos de aluminio.
Los bronces al aluminio que contienen hasta un 9,5% de Al, representan una solución
sólida α y son monofásicos (Ilustración ), siendo α una solución sólida. Los bronces con un
gran contenido de aluminio están compuestos de una mezcla de fases α + γ2 (γ2 es una
combinación electrónica Cu32Al19). Para composiciones por debajo del 8% de aluminio la
estructura permanece esencialmente la misma del cobre y está formada por una solución
sólida α, estas aleaciones son notables por alta ductilidad y su relativa plasticidad en
estado recocido.
Para el caso de los contenidos de aluminio de entre el 8% al 13% aproximadamente se
puede realizar un tratamiento térmico de templado, con el fin de conseguir una
microestructura martensítica (Fotografía 4.1). Por extensión se denominan estructuras
martensíticas a todas las fases que se producen a raíz de una transformación sin difusión
en materiales metálicos.
El criterio de la transformación martensítica se extiende a varias aleaciones bimetálicas en
las cuales de forma similar que en los aceros el tratamiento implicará un aumento de
temperatura del material de tal forma que suceda la transformación alotrópica.
Para los bronces al aluminio se elevará la temperatura para conseguir una solución sólida
monofásica β o una solución sólida bifásica α + β, dependiendo del contenido de aluminio
A
B
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
23
de la aleación. La solución monofásica importante en este proceso es β, debido a su
aumento de la solubilidad del aluminio en el cobre, de tal forma que β se puede definir
como una solución sólida sobresaturada.
Fotografía 0.2Microestructura de la aleación mostrando la fase α y γ2 y precipitados
intermetálicos de diferentes morfologías. [6]
Fotografía 0.3Microestructura de la probeta enfriada desde 965°C, mostrando Martensita
(fase β) y parte de la fase α en los bordes de grano. [6]
El siguiente paso del proceso será el enfriamiento rápido del material con el fin de evitar la
transformación alotrópica en el enfriamiento, no permitiendo el proceso de difusión,
entonces, los átomos de aluminio quedarán retenidos en sus posiciones de “alta
temperatura” generando en el enfriamiento una distorsión de la red cristalina, que dará
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
24
como resultado en la aleación tratada térmicamente una mejora en ciertas propiedades
mecánicas como el aumento de la dureza.
Como se había analizado, depende de la composición de aluminio la formación de la
solución sólida β que será la que genere la formación martensítica. El resultado después
del tratamiento térmico también variará conforme a este contenido de aluminio y se
puede observar en el diagrama de equilibrio de la Ilustración .
Por ejemplo, se podría tomar una composición de aluminio 9,5% al calentar a 950ºC el
material debería llegar de α a α + β al templar el material deberíamos obtener una
solución sólida bifásica α + martensítica β; para el caso de tratar un aleación con
composición de aluminio de 12% y calentarla a 950ºC obtendremos una solución sólida β
en su totalidad y en el templado posterior obtendremos una estructura totalmente
martensítica β.
Así, se puede concluir que la formación de cierta cantidad de microestructura martensítica
β, que será la que mejore las propiedades del material, dependerán únicamente de la
cantidad de aluminio que contenga la aleación, pero la cantidad de distorsión que se pueda
crear en la red será dependiente de la velocidad de enfriamiento y este factor también
variará las propiedades del material tratado.
Ilustración 5.4Diagrama de estado Cu - Al en función del contenido de Al.[7]
El aluminio de un contenido hasta de un 10% aumenta el límite de rotura del cobre
(aumento de la resistencia a la tracción) y aumenta su dureza; el alargamiento relativo
crece cuando su contenido es de hasta un 4 – 5% y si el contenido de aluminio es mayor
cae violentamente (Ilustración ). Esto está relacionado con la formación de una fase
A
B
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
25
quebradiza γ´. Semejante carácter de la variación de las propiedades determina el empleo
y la tecnología de tratamiento de los bronces de aluminio.
Los bronces con un contenido de un 6 – 8% de Al, se trabajan por presión en estado
caliente y en frío. La deformación en frío aumenta considerablemente la resistencia, como
se puede observar en la Tabla 0.2. Los bronces que contienen un 8 – 10% de Al, se pueden
trabajar por presión solamente a altas temperaturas. Al mismo tiempo estos bronces
poseen altas propiedades de fundición y se emplean para las fundiciones perfiladas.
Los bronces al aluminio son resistentes a la corrosión. El hierro que se agrega a los
bronces al aluminio, hace la estructura más fina y aumenta sensiblemente las propiedades
mecánicas. Los bronces del tipo Br.Azh 9–4 son sometidos a tratamiento térmico,
propiamente a normalizado con un calentamiento hasta 650oC o a temple a 950oC en agua.
Este tratamiento térmico aumenta la resistencia mecánica y la dureza del material, si el
enfriamiento fuera lento, inferior a 2:C/min, la resistencia en general y la dureza
disminuyen notablemente. Los bronces al aluminio poseen propiedades mecánicas más
altas y han encontrado amplio empleo en la industria (Tabla 0.2). La adición de níquel
hace más elevadas las propiedades mecánicas a altas temperaturas.
Los bronces al aluminio son más comúnmente usados en aplicaciones en las que su
resistencia a la corrosión hace preferible a otros materiales de ingeniería. Estas
aplicaciones incluyen casquillos de la articulación y componentes del tren de aterrizaje de
las aeronaves, componentes del motor (especialmente para los buques de navegación
marítima), cierres en la arquitectura naval, y las hélices del buque. Otras aplicaciones
destacables podrían enumerarse alrededor de su alta dureza después del tratamiento
térmico.
Bronce Estado del
material
σr MN/m2
(kgf/mm2) δ, % Destinación
Br. A5
Función en coquilla
Laminado y
recocido
Deformación en
frío
280(28)
380(38)
800(80)
55
65
4,0 Cintas, tiras, fundición
Br. AZh9-4
Fundición en tierra
Fundición en
coquilla
Redondos
prensados
400(40)
500(50)
550(55)
10
12
15
Redondos, piezas forjadas,
piezas fundidas perfiladas
Br.
AZhN10-4-
Fundición en
coquilla
600(60) 6 Redondos, tubos, piezas
forjadas, piezas fundidas
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
26
4 Redondos
prensados
650(65) 5 perfiladas
Tabla 0.2Propiedades mecánicas y destinación de los bronces al aluminio. [1]
Referencias
[1] LATJIN, Yu; “Metalografía y tratamiento térmico de los metales”, MIR, 1977
[2] MORRAL; “Metalurgía general”, Tomo 2; 1985
[3] MORELA, Pere; “Tratamiento térmico de los metales”, 1991
[4] AVNER; “Introducción a la metalurgia física”; 1980
[5]http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_bronze
[6] IQBAL,J., AHMED, F., HASAN, F. (2008). Development of Microstructure in Silicon-
Aluminum-Bronze. Disponible en: http://www.uet.edu.pk. File: pdf.
[7] GLAESER,W., (1996). Material of Tribology. En ELSEVIER. pp 55.
Materiales y equipos.
Materiales.
3 Probetas de bronce al aluminio
Reactivo químico (cloruro férrico)
Alcohol
Equipo
Mufla
Termómetro
Microscopio metalográfico
Equipo de pulido metalográfico
Secador
Pinzas
Procedimiento
1. Extraer 3 probetas de bronce al aluminio, dos para tratamiento térmico y una para
probeta testigo.
2. Introducir dos probetas en la mufla, durante 30 min a 950:C.
3. Preparar los medios de enfriamiento para el templado.
4. Al término del tiempo de tratamiento térmico sacar las probetas y enfriar en los
dos envases las probetas de tal forma que se pueda obtener velocidades de
enfriamiento distintas en función de la cantidad del medio de enfriamiento.
5. Extraer las probetas y prepararlas para el análisis metalográfico.
6. Prepara la probeta testigo para el análisis metalográfico.
7. Realizar la medición de dureza sobre las probetas tratadas térmicamente.
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
27
8. Realizar la medición de durezas sobre la probeta sin tratamiento térmico.
9. Observar la microestructura de las probetas tratadas térmicamente y de la probeta
testigo.
10. Llenar la hoja de datos.
Preparatorio
1) ¿Qué es un bronce al aluminio?
2) ¿Cuál es la composición química y propiedades mecánicas del bronce al aluminio
AB2 (bronce al aluminio naval)?
3) ¿A qué tratamientos térmicos se le puede someter al bronce al aluminio?
4) ¿Qué medios de enfriamiento son recomendados para templar bronce al aluminio?
¿Qué cualidades hacen que estos medios sean recomendados? ¿Qué velocidad de
enfriamiento poseen estos medios?
5) ¿En qué afecta el medio y tiempo de enfriamiento en la realización del temple al
bronce al aluminio?
Informe
1. Tema
2. Objetivos
3. Datos obtenidos
3.1 Metalografías obtenidas en el laboratorio
4. Datos calculados
4.1 Análisis metalográfico utilizando Metals Handbook.
5. Análisis de resultados
Comparación de metalografías de templando en los diferentes medios, tanto con la
testigo como las que han sido templadas.
6. Aplicaciones industriales
7. Conclusiones y Recomendaciones (Nombre estudiante 1)
8. Conclusiones y Recomendaciones (Nombre estudiante 2)
9. Bibliografía consultada
Comentario [CD4]: Lineamiento para mejor análisis de las metalografías obtenidas.
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
28
Práctica Nº 6
Tema:Materiales compuestos: polímeros reforzados con fibras.
Objetivos:
Conocer el proceso de polimerización de las resinas poliéster.
Elaborar un material polimérico reforzado con fibras.
Observar las propiedades mecánicas de un material compuesto reforzado con
fibras y la variación de las mismas con respecto a la geometría de las fibras de
refuerzo dentro de la matriz polimérica.
Observar la variación de la reacción exotérmica de polimerización en función de la
cantidad de MEC utilizado en la composición de la resina poliéster.
Revisión teórica.
Un polímero es una gran molécula construida por la repetición de pequeñas unidades
químicas simples. En algunos casos la repetición es lineal de forma semejante a como una
cadena la forman sus eslabones. En otros casos las cadenas son ramificadas o
interconectadas formando retículos tridimensionales. La unidad repetitiva del polímero es
usualmente equivalente o casi equivalente al monómero o material de partida del que se
forma el polímero. Ej.: la unidad repetitiva del poli(cloruro de vinilo) es –CH2CHCl; su
monómero es el cloruro de vinilo CH2=CHCl [1].
Ilustración 0.1Estructura cristalina del polietileno, en sistema ortorrómbico. [BYOSYM
Technologies Inc, 1998]
El proceso por el cual se agrupan los monómeros entre sí con la ayuda de reactivos para
formar polímeros se denomina polimerización y puede ser de dos tipos [2]:
Por adición (o por reacción en cadena).
Se van uniendo de uno a uno los monómeros (bifuncionales) a modo de cadena
para formar una macromolécula lineal.
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
29
La composición de la molécula resultante es un múltiplo exacto del monómero
reactivo original.
El crecimiento de la cadena es relativamente rápido, alrededor de 1000 unidades
monoméricas de 10-2 a 10-3 seg.
Se aplica para la síntesis de: polietileno, polipropileno, cloruro de polivinilo,
poliestireno y de muchos copolímeros.
Por condensación (o reacción por etapas).
Normalmente implican más de una especie monomérica y generalmente se origina
un subproducto de bajo peso molecular, como el agua (que se elimina).
Las substancias reactivas tienen formas químicas diferentes de la unidad que se
repite, y la reacción intermolecular ocurre cada vez que se forma una unidad
repetitiva.
Tiempos de polimerización mayores al de adición.
Se pueden sintetizar a menudo monómeros trifuncionales capaces de generar polímeros
entrecruzados y reticulados. Poliéster y fenol formaldehído termoestables, nylon y los
policarbonatos se producen por este método.
Las propiedades mecánicas de los polímeros pueden aventajar a muchos materiales
convencionales, como los materiales metálicos. En muchas aplicaciones industriales, sobre
todo en las que se deba conseguir una mejor relación peso – prestaciones y en ambientes
con condiciones altamente corrosivas, los polímeros serán la mejor opción. Sin embargo,
los polímeros por si solos pueden tener limitadas prestaciones sobretodo en aplicaciones
en las que las solicitaciones mecánicas sean más rigurosas, en este punto, la solución más
adecuada podría ser la utilización de un material compuesto que pueda compartir las
características de los materiales que lo compongan.
Un composite o material compuesto, en términos generales está comprendido por una
matriz y sus elementos reforzantes, la matriz mantendrá los elementos unidos y
distribuirá los esfuerzos a los elementos reforzantes que se encargarán de soportar las
cargas en mayor porcentaje.
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
30
Ilustración 0.2Microfotografía de un
material compuesto laminado epoxi-fibra
de carbonato con cinco capas
bidireccionales [4]
Las fibras se colocan en capas o láminas
superpuestas, obteniendo estructuras que se
llaman laminados. Las láminas nunca se
superponen con la misma orientación. Se
deberá estudiar a fondo la secuencia de
apilación y orientación adecuada para cada
caso. La secuencia de apilación y orientación
tiene más importancia incluso que las
características físicas de las fibras y la
matriz, y es quien va a dar las propiedades
finales al material.
Usando las mismas fibras y matriz y variando secuencia de apilado y orientación se
pueden conseguir infinitos comportamientos. Jugando con estos parámetros se pueden
conseguir comportamientos radicalmente diferentes en resistencia mecánica, rigidez,
tolerancia al daño o estabilidad dimensional.
Para definir un material compuesto se
deben incluir necesariamente los
siguientes puntos [3]:
Consta de dos o más materiales
físicamente distintos y
separables mecánicamente.
Pueden fabricarse mezclando
los distintos materiales de tal
forma que la dispersión de un
material en el otro pueda
hacerse de manera controlada
para alcanzar propiedades
óptimas.
Ilustración 0.3Materiales compuestos laminados
unidireccionales y multidireccionales [5]
Las propiedades son superiores, y posiblemente únicas en algún aspecto específico, a las
propiedades de los componentes por separado.
Materiales compuestos reforzados con fibras
Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio,
cuarzo, Kevlar, Dynema o fibra de carbono que proporciona al material su resistencia a
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
31
tracción, mientras que otro componente suele ser resina como epoxi o poliéster que
envuelve y liga las fibras, transfiriendo las cargas de las fibras rotas a las intactas y entre
las que no están alineadas a la línea de carga. También a menos que la matriz elegida sea
especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión.
Ilustración
0.4Arquitectura de un
tejido tridimensional [5]
En término de fuerza, las fibras (responsables de las
propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la
matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas)
para resistir las deformaciones, otros materiales
adicionados podrán resistir cargas de compresión.
Los compuestos laminados se pueden diseñar de forma que
tenga sus fibras arregladas en distintas direcciones. La
Figura 6.3 muestra materiales compuestos unidreccionales
en forma de láminas delgadas apiladas de manera que las
fibras estén orientadas formando ángulos de 0°, 90°y ±45°.
Si las fibras solo formaran ángulos de 0° o 90°, la resistencia
del material es alta en estas direcciones, pero el conjunto
tiene poca resistencia cortante. Para que la resistencia
cortante sea buena las fibras en el apilamiento también
deben tener orientaciones de ±45°, esos laminados son
resistentes en todas las direcciones del plano que contiene a
las fibras.
Otra clase de arreglo de fibras es una tela de dos dimensiones, es posible tener tejidos de
fibras reforzantes tridimensionales que dan como resultado materiales compuestos con
propiedades isotrópicas. También se puede obtener una red tridimensional (Figura 6.4) de
fibras orientando al azar fibras discontinuas, estos materiales también tienen propiedades
isotrópicas y son menos costosos que sus contrapartes tejidas, sin embargo, sus
propiedades son inferiores a causa de la corta longitud de las fibras y su posible falta de
homogeneidad en la matriz.
Referencias
[1] BILLMEYER, Fred; “Ciencia de los polímeros”
[2] CALLISTER, William; “Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales”
[3] HULL, Derek; “Materiales compuestos”
[4] SMITH, William; “Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales”
[5] SCHAFFER, James; “Ciencia y diseño de ingeniería de los materiales”
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
32
Materiales y equipos.
Materiales.
Resina poliéster
Octoato de Cobalto
MEC (metil-etil-cetona)
Aceite de desmolde
Fibras de refuerzo
Equipo
Moldes
Prensa hidráulica
Procedimiento
Polímeros reforzados con fibras
Se elaborarán probetas de material compuesto por resina poliéster y fibras de abacá, con
diferentes geometrías que será el punto donde variarán los resultados de la
experimentación. Las probetas serán cargadas a flexión mediante un dispositivo hidráulico
para determinar que geometría de las fibras reforzantes es la más adecuada para este tipo
de solicitación mecánica.
1. Cortar las fibras de refuerzo en pedazos de 3cm de longitud.
2. Preparar los moldes colocando el aceite de desmolde en cada uno.
3. Preparar 200 ml de resina en un recipiente junto al 4% del volumen de octoato de
cobalto, mecer hasta obtener una mezcla homogénea.
4. Añadir a la mezcla el 2% del volumen de resina de MEC, mecer hasta obtener una
mezcla homogénea.
5. Colocar parte de la mezcla en el molde.
6. Añadir las fibras reforzantes con la disposición previamente establecida.
7. Repetir los pasos 5 y 6 por lámina de fibras que se vaya a disponer.
8. Repetir los pasos 3, 4, 5, 6 y 7 para todas las disposiciones de fibras de refuerzos
previamente establecidas.
9. Aplicar una carga de flexión sobre cada una de las probetas utilizando la prensa
hidráulica.
10. Tomar la medida ∆l entre la distancia inicial li del pistón y la distancia final lf a la
que la probeta falla bajo la carga de flexión.
11. Anotar los valores ∆l para cada probeta en la hoja de datos.
Determinación del tiempo de polimerización
1. En 3 mezclas por separado de resina poliéster de 30 ml con el 4% en volumen de
octoato de cobalto añadir 1%, 2% y 4% en volumen respectivamente de MEC y
mecer hasta obtener mezclas homogéneas.
2. Mediante la termocupla medir la temperatura de cada mezcla cada 15 segundos
hasta que la misma haya polimerizado.
Preparatorio
1. ¿Qué es la polimerización?
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
33
Informe
1. Tema
2. Objetivos
3. Marco teórico
4. Datos Obtenidos
4.1 Tabla de valores: Tiempo, temperatura.
4.2 Tabla de valores: Probeta, ∆l.
4.3 Superficies de fractura
5. Datos calculados
5.1 Gráfica: Tiempo Vs. Temperatura
6. Análisis de resultados
7. Aplicaciones industriales
8. Conclusiones y recomendaciones (Nombre estudiante 1)
9. Conclusiones y recomendaciones (Nombre estudiante 2)
10. Bibliografía consultada
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
34
Práctica Nº 7
Tema:Templado de vidrio.
Objetivo:
Determinar las temperaturas de reblandecimiento, trabajado y temple del vidrio.
Desarrollar el procedimiento experimental del templado de vidrio.
Comprobar el aumento de las propiedades mecánicas del vidrio templado.
Revisión teórica.
Los materiales cerámicos son compuestos inorgánicos, no metálicos de: carbono, oxígeno,
nitrógeno, boro y silicio; elaborados mediante sinterización o metalurgia de polvos (PM),
que entre otros beneficios permite el moldeo de geometrías complejas (incluso imposibles
para los procesos de maquinado).
Utilizados como refractarios en la industria de los metales, tratamientos térmicos,
revestimientos y en la elaboración de materiales para motores así como para la contención
de productos químicos; debido a sus características como: puntos de fusión relativamente
altos, baja conductividad eléctrica y térmica, junto con sus propiedades altas de dureza y
resistencia mecánica que se deben a las uniones atómicas covalentes o iónicas entre sus
partículas constitutivas.
Los cerámicos pueden ser cristalinos si están estructurados a manera de cristales con
empaquetamientos compactos como: la cúbica centrada en las caras y la hexagonal
compacta; o no cristalinos (vidrios) que tienen estructura amorfa.
Los vidrios más comerciales son de: sosa-cal-silicato y se forman a partir de la fundición
de la sílice (muy alta viscosidad) que al enfriarse impide que los iones de silicio y oxígeno
se reorganicen para formar cristales deteniendo el equilibrio en la estructura.
El vidrio templado es un vidrio común (vidrio recocido) que se le ha realizado el
tratamiento térmico de temple y es ampliamente utilizado en la industria del motor y la
construcción.
Este tipo de vidrio es reforzado enfriando rápidamente con aire la superficie del vidrio
después de que éste haya sido calentado hasta cerca de su punto de reblandecimiento. La
superficie del vidrio se enfría primero y se contrae, mientras que el interior está caliente y
se reajusta a los cambios dimensionales con pocas tensiones.
El vidrio templado adquiere propiedades importantes como: la resistencia a flexión, del
vidrio recocido al templarlo se multiplica ya que será la resistencia a la rotura normal (sin
templar) más la magnitud de la tensión residual en la superficie, de tal forma que pasa de
tener una resistencia de 400klb/cm2 a 1.200-2.000klb/cm2.
La resistencia al choque térmico (diferencia de temperatura entre una cara y otra) pasa de
60oC a 240oC, en caso de rotura se fragmenta en pequeños trozos inofensivos (por lo cual
se le considera uno de los tipos de vidrio de seguridad).
Para conocer el proceso de fabricación del vidrio templado se requieren los conceptos de:
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
35
Temperatura de transición vítrea (Tg), alrededor de 450oC para un vidrio sódico – cálcico
típico, la que sobrepasada produce una disminución de la viscosidad siguiendo la ley de
Arrhenius1 [1]. Temperatura de reblandecimiento (To), cuando el material ha absorbido la
suficiente energía para deshacer sus enlaces siendo característica una fluidez natural por
su propio peso, pandeo.
Ilustración 0.1Perfiles de temperatura y
de tensión durante la obtención de un
vidrio templado..[1]
Se analizan los perfiles de temperatura
y tensión durante la obtención de un
vidrio templado:
En la Ilustración 0.1 a), se muestra el
calentamiento por encima de Tg. b)
cuando se realiza temple al aire de la
superficie por debajo de Tg. c), cuando
el enfriamiento es lento hasta
temperatura ambiente, permite que el
interior contraiga mucho más que la
superficie, causando una tensión
residual neta de compresión en la
superficie, compensada parcialmente
por una menor tensión residual de
tracción en el interior [1].
Como se puede observar, se consigue que el vidrio quede expuesto en su superficie a
tensiones de compresión y en el interior a tensiones de tracción, confiriéndole mayor
resistencia estructural y al impacto que el vidrio sin tratar.
1Expresión matemática que comprueba la dependencia de la velocidad de reacción a la variación de
temperatura, definida como: ( )
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Referencias
[1] SHACKELFORD, James; “Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros”
[2] ASKELAND, Donald; “Ciencia e ingeniería de los materiales”
Materiales y equipos.
Materiales.
Probetas de vidrio
Equipo
Mufla
Pinzas
Mecheros de gas
Soplador
Termocupla
Procedimiento
Punto de reblandecimiento y templado de vidrio
1. Se tienen 5 probetas de 150x25x3 mm
2. Encender la mufla con 3 horas de anticipación a la práctica y mantener en 150:C.
3. Colocar 4 probetas dentro de la mufla, entre los bloques de forma que queden
simplemente apoyados.
4. Subir la temperatura de la mufla hasta los 650:C.
5. Conectar la termocupla a la mufla.
6. Cuando la termocupla marque aproximadamente 500:C, abrir la mufla y verificar
si las probetas han llegado al punto de reblandecimiento, se podrá observar el
pandeo en las probetas (punto de reblandecimiento). Si no se presenta el pandeo
se debe cerrar el horno y esperar a que la temperatura suba y volver a verificar a
una temperatura mayor.
7. Tomar la temperatura de reblandecimiento.
8. Calentar las pinzas.
9. Encender el soplador.
10. Cuando la termocupla marque los 620:C, sacar la primera probeta con las pinzas.
11. Introducir la probeta en el flujo de aire, acercar la probeta lentamente hacia el
soplador, moviendo la probeta de tal forma que el flujo de aire llegue a toda la
superficie.
12. Repetir el calentamiento de las pinzas y el enfriamiento para cada probeta.
13. Cargar las probetas
14. Llenar la hoja de datos
Temperatura de trabajado
1. Usar muestras pequeñas de vidrio
2. Calentar las pinzas.
3. Con la ayuda de los mecheros y las pinzas, calentar las muestras hasta la
temperatura a la cual las probetas puedan deformarse mediante la aplicación de
una pequeña carga externa.
4. Tomar la temperatura.
Comentario [M5]: Cambiar de acuerdo a las condiciones que el horno nos permite en este caso sería 200°C
Comentario [CD6]: Se deberá conseguir cargas de forma regular para facilidad de los estudiantes.
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Informe
1. Tema
2. Objetivos
3. Datos obtenidos
3.1 Tabla de Temperaturas de reblandecimiento, transición vítrea, trabajado.
3.2 Tabla de valores de carga
4. Análisis de resultados
5. Aplicaciones Industriales
6. Conclusiones y recomendaciones (Nombre estudiante 1)
7. Conclusiones y recomendaciones (Nombre estudiante 2)
8. Bibliografía consultada
Comentario [M7]: No se puede observar esta temperatura.
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Hojas de Datos y Coloquios
Hoja de datos
Práctica Nº 1.Identificación de metales ferrosos
Grupo: ………
Estudiante 1: ……………………………………………………
Estudiante 2: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Probeta 1 Probeta 2
Reactivo: Aumento: Reactivo: Aumento:
Probeta 3 Probeta 4
Reactivo: Aumento: Reactivo: Aumento:
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Coloquio
Práctica Nº 1.Identificación de metales ferrosos
Grupo: ………
Estudiante: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
40
Hoja de datos
Práctica Nº 2.Análisis metalográfico de materiales ferrosos
Grupo: ………
Estudiante 1: ……………………………………………………
Estudiante 2: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Descripción del elemento:
Material:
Descripción de la metalografía:
Reactivo: Aumento:
120x
Descripción de la metalografía:
Reactivo: Aumento:
500x
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41
Coloquio
Práctica Nº 2.Análisis metalográfico de materiales ferrosos
Grupo: ………
Estudiante: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
42
Hoja de datos
Práctica Nº 3. Ensayo Charpy
Grupo: ………
Estudiante 1: ……………………………………………………
Estudiante 2: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Probeta Temp
[⁰C]
Energía
[lb/pie] Superficie de fractura
N1
N2
N3
N4
N5
N6
N7
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43
Coloquio
Práctica Nº 3.Ensayo Charpy
Grupo: ………
Estudiante: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
44
Hoja de datos
Práctica Nº 4. Ensayo Jominy (Templabilidad de los aceros).
Grupo: ………
Estudiante 1: ……………………………………………………
Estudiante 2: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Mapeo de durezas Metalografía
Escala
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45
Coloquio
Práctica Nº 4. Ensayo Jominy (Templabilidad de los aceros).
Grupo: ………
Estudiante: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
46
Hoja de datos
Práctica Nº 5. Tratamiento térmico del bronce al aluminio
Grupo: ………
Estudiante 1: ……………………………………………………
Estudiante 2: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Medición de
Durezas
Probeta
Testigo
(TT)
Enfriamiento
Rápido
(TT)
Enfriamiento
Lento
Metalografías
Probeta
Testigo
Aumento: Reactivo:
(TT)
Enfriamiento 1
Aumento: Reactivo:
Comentario [CD8]: Tomar 3 mediciones de dureza especialmente en aquellas que fueron templadas
Comentario [CD9]: Al tratarlas las probetas a la misma temperatura se elimina la tabla de temperatura de tratamiento térmico
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(TT)
Enfriamiento 2
Aumento: Reactivo:
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48
Coloquio
Práctica Nº 5.Tratamiento térmico del bronce al aluminio
Grupo: ………
Estudiante: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
49
Hoja de datos
Práctica Nº 6.Materiales compuestos: polímeros reforzados con fibras
Grupo: ………
Estudiante 1: ……………………………………………………
Estudiante 2: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Geometría
de las fibras
li
[mm]
lf
[mm]
Δl
[mm] Perfil de la zona de fractura
TIEMPO [min] TEMP PROB 2.1 TEMP PROB 2.2 TEMP PROB 2.3
0
1
2
3
4
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5
10
10,5
11
11,5
12
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Coloquio
Práctica Nº 6.Materiales compuestos: polímeros reforzados con fibras
Grupo: ………
Estudiante: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla
51
Hoja de datos
Práctica Nº 7. Templado de vidrio
Grupo: ………
Estudiante 1: ……………………………………………………
Estudiante 2: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
Temperatura de
transición vítrea
[Tg]
Temperatura de
reblandecimiento
[To]
Temperatura
de trabajado
[Tt]
PROBETA ENFRIAMIENTO CARGA [g] OBSERVACIONES
N1
N2
N3
N4
N5
Comentario [CD10]: Al no poder determinar esta temperatura se debería eliminar esta parte de la tabla
Comentario [CD11]: No debería ser enfriamiento si no temperatura de retiro del horno
Comentario [CD12]: Especificar que estas observaciones son de la fráctura del vidrio
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Coloquio
Práctica Nº 7. Templado de vidrio
Grupo: ………
Estudiante: ……………………………………………………
Fecha de Realización: ……………………………………….
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