Folleto_Ciencia_Materiales_II_ 2015A.pdf

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


1

Práctica No1 Contenido

Práctica Nº 1 ........................................................................................................................... 4

Tema: Análisis metalográfico en aleaciones ferrosas ............................................................. 4

Objetivo: ................................................................................................................................... 4

Revisión teórica ......................................................................................................................... 4

Análisis metalográfico .............................................................................................................. 4

Materiales y equipos. ................................................................................................................ 6

Materiales ................................................................................................................................ 6

Equipo....................................................................................................................................... 6

Instrucciones. ........................................................................................................................... 6

Referencias. .............................................................................................................................. 6

Preparatorio. (Máximo dos páginas) ........................................................................................ 7

Actividades por desarrollar. (Máximo 4 páginas/2 hojas) ........................................................ 7

Práctica Nº 2 ........................................................................................................................... 8

Tema: Ensayo charpy. .............................................................................................................. 8

Objetivos: .................................................................................................................................. 8

Revisión teórica. ........................................................................................................................ 8

Materiales y equipos. .............................................................................................................. 12

Materiales. ............................................................................................................................. 12

Equipo..................................................................................................................................... 12

Instrucciones. ......................................................................................................................... 12

Referencias ............................................................................................................................. 12

Preparatorio ............................................................................................................................ 13

Actividades por desarrollar ..................................................................................................... 13

Práctica Nº 3......................................................................................................................... 14

Tema: Ensayo Jominy (Templabilidad de los aceros). ........................................................... 14

Objetivo: ................................................................................................................................. 14

Revisión teórica. ...................................................................................................................... 14


Materiales .............................................................................................................................. 18

Equipos ................................................................................................................................... 18

Instrucciones. ......................................................................................................................... 18

Recomendaciones. .................................................................................................................. 19

Referencias ............................................................................................................................. 19


2

Preparatorio. (Máximo dos páginas) ...................................................................................... 19

1. Consulta el alcance (scope) de la norma ASTM A255 ......................................................... 19

2. ¿Qué es la descarburación de los aceros? .......................................................................... 19

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. ............... 19

Actividades por desarrollar (máximo 4 páginas/2 hojas) ...................................................... 19

Práctica Nº 4 ......................................................................................................................... 21

Tema: Tratamiento térmico del bronce al aluminio. ............................................................. 21

Objetivo: ................................................................................................................................. 21


Referencias ............................................................................................................................. 27


Materiales. .............................................................................................................................. 27

Equipo ..................................................................................................................................... 27

Instrucciones. .......................................................................................................................... 27

Preparatorio ............................................................................................................................ 28


Práctica Nº 5 ......................................................................................................................... 29

Tema: Materiales compuestos: polímeros reforzados con fibras. .................................... 29

Objetivos: ................................................................................................................................ 29


Referencias ............................................................................................................................. 32


Materiales. ............................................................................................................................. 33

Equipo .................................................................................................................................... 33

Instrucciones. .......................................................................................................................... 33

Polímeros reforzados con fibras ............................................................................................ 33

Determinación del tiempo de polimerización ........................................................................ 33

Preparatorio ............................................................................................................................ 33


Práctica Nº 6 ......................................................................................................................... 35

Tema: Templado de vidrio. .................................................................................................... 35

Objetivo: ................................................................................................................................. 35



3

Referencias ............................................................................................................................. 37


Materiales. .............................................................................................................................. 37

Equipo ..................................................................................................................................... 37

Instrucciones. .......................................................................................................................... 37

Punto de reblandecimiento y templado de vidrio ................................................................. 37

Temperatura de trabajado ..................................................................................................... 37



4

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.


5

Fotografía 1.1Corte transversal.

Metalografía de una acero ferrítico-

perlítico, no tratado térmicamente[1]

Fotografía 1.2Corte 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.


6

Ilustración 1.3 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

Instrucciones.

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


7

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

Actividades por desarrollar. (Máximo 4 páginas/2 hojas)

1. Tema

2. Objetivos (los mismos de la práctica)

3. Resultados 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


8

Práctica Nº 2

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 2.1), 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 2.1Probeta 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.


9

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

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 2.2).

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)]


10

Ilustración 2.2Máquina 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.


11

Ilustración 2.3Ejemplo 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 2.3), en este caso mucho dependerá de la composición química, tratamientos

térmicos o procesos de fabricación a los que haya sido sometido el material.


12


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

Instrucciones.

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 -50⁰C.

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 (-50⁰C, -30⁰C, -15⁰C, 0⁰C, 10⁰C, Tamb y 50⁰C

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 50⁰C 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

http://www.sv.vt.edu/classes/MSE2094_NoteBook/97ClassProj/anal/yue/energy.html

http://www.sv.vt.edu/classes/MSE2094_NoteBook/97ClassProj/anal/yue/energy.html


13

Preparatorio

1. Descripción del ensayo de impacto.

2. Descripción del ensayo Charpy (Ver Norma ASTM E-23).

2.1. Geometría

2.2. Instrucciones.

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.

Actividades por desarrollar

1. Tema

2. Objetivos

3. Resultados obtenidos

3.1 Tabla de Resultados obtenidos Temperatura 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)




14

Práctica Nº 3

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 3.1) 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 3.1Estructura 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 3.2) 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]


15

Fotografía 3.2Estructura 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


16

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 3.3 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 3.) en un horno durante

media hora a la temperatura de austenitización

correspondiente.


17

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 3.; 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 3.5Chorro de agua estandarizado. [10]

Ilustración 3.4Probeta 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.


18

Ilustración 3.6 Gráfico obtenido del ensayo Jominy para un acero 1050.


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.

Instrucciones.

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 50mm y

cada 5mm hasta alcanzar el otro extremo de la probeta.

5. Llenar la hoja de datos.


19

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


[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.

Actividades por desarrollar (máximo 4 páginas/2 hojas)

1. Tema

2. Objetivos (los mismos de la práctica)


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


5.1 Explique qué factores influyeron en la dureza obtenida después del ensayo

realizado, y como los controlaría.

http://www.youtube.com/watch?v=qW0aUbTWtVM

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Jominy_test.png


20

5.2 Análisis de durezas obtenidas en la probeta


7. Conclusiones y Recomendaciones



21

Práctica Nº 4

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 4.1Alubronce, Cu 90%, Al 10%. [5]

Los bronces al Aluminio (Fotografía

4.1) 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


22

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 4.1) 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% máx. 0.8% máx. 0.5% máx. 0.5%

máx. 0.4% máx.

CuAl8 7.0% - 9.0% 0.5% máx. 0.8% máx. 0.5% máx. 0.5%

máx.

CuAl8Fe3 6.5% - 8.5% 1.5% - 3.5% 1.0% máx. 0.8% máx. 0.5%

máx.

CuAl9Mn2 8.0% - 10.0% 1.5% máx. 0.8% máx. 1.5% - 3.0% 0.5%

máx.

CuAl10Fe3 8.5% - 11.0% 2.0% - 4.0% 1.0% máx. 2.0% máx. 0.5%

máx.

CuAl10Fe5Ni15 8.5% - 11.5% 2.0% - 6.0% 4.0% - 6.0% 2.0% máx. 0.5%

máx.

Tabla 4.1Denominaciones 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 4. 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.

http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium

http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel

http://en.wikipedia.org/wiki/Manganese

http://en.wikipedia.org/wiki/Zinc


23

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 4.2Diagrama 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 3.1). 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


24

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 4.2Microestructura de la aleación mostrando la fase α y γ2 y precipitados

intermetálicos de diferentes morfologías. [6]

Fotografía 4.3Microestructura 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


25

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 4.4Diagrama 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


26

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 4.2. 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 2⁰C/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 4.2). 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


27

4 Redondos

prensados

650(65) 5 perfiladas

Tabla 4.2Propiedades 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.

3 Probetas de bronce al aluminio

Reactivo químico (cloruro férrico)

Alcohol

Equipo

Mufla

Termómetro

Microscopio metalográfico

Equipo de pulido metalográfico

Secador

Pinzas

Instrucciones.

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 950⁰C.

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.


28

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?


1. Tema

2. Objetivos


3.1 Metalografías obtenidas en el laboratorio

4. Datos calculados

4.1 Análisis metalográfico utilizando Metals Handbook.


Comparación de metalografías de templando en los diferentes medios, tanto con la

testigo como las que han sido templadas.


7. Conclusiones y Recomendaciones (Nombre estudiante 1)

8. Conclusiones y Recomendaciones (Nombre estudiante 2)



29

Práctica Nº 5

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 5.1Estructura 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.


30

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.


31

Ilustración 5.2Microfotografía 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

apilamiento y orientación adecuada para

cada caso. La secuencia de apilamiento 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 5.3Materiales 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


32

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

5.4Arquitectura 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”


[5] SCHAFFER, James; “Ciencia y diseño de ingeniería de los materiales”


33


Materiales.

Resina poliéster

Octoato de Cobalto

MEC (metil-etil-cetona)

Aceite de desmolde

Fibras de refuerzo

Equipo

Moldes

Prensa hidráulica

Instrucciones.

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?


34


1. Tema

2. Objetivos

3. Marco teórico


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







35

Práctica Nº 6

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:


36

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 6.1Perfiles 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 6.1 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: 𝑘(𝑇) = 𝐴. 𝑒−𝐸𝑎

𝑅𝑇


37

Referencias

[1] SHACKELFORD, James; “Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros”

[2] ASKELAND, Donald; “Ciencia e ingeniería de los materiales”


Materiales.

Probetas de vidrio

Equipo

Mufla

Pinzas

Mecheros de gas

Soplador

Termocupla

Instrucciones.

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 150⁰C.

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 650⁰C.

5. Conectar la termocupla a la mufla.

6. Cuando la termocupla marque aproximadamente 500⁰C, 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 620⁰C, 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.


38

4. Tomar la temperatura.


1. Tema

2. Objetivos


3.1 Tabla de Temperaturas de reblandecimiento, transición vítrea, trabajado.

3.2 Tabla de valores de carga


5. Aplicaciones Industriales





39

Hoja de datos

Práctica Nº 1.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


40

Coloquio

Práctica Nº 1.Análisis metalográfico de materiales ferrosos

Grupo: ………

Estudiante: ……………………………………………………



41

Hoja de datos

Práctica Nº 2. Ensayo Charpy

Grupo: ………

Estudiante 1: ……………………………………………………

Estudiante 2: ……………………………………………………


Probeta Temp

[⁰C]

Energía

[lb/pie] Superficie de fractura

N1

N2

N3

N4

N5

N6

N7


42

Coloquio

Práctica Nº 2.Ensayo Charpy

Grupo: ………

Estudiante: ……………………………………………………



43

Hoja de datos

Práctica Nº3. Ensayo Jominy (Templabilidad de los aceros).

Grupo: ………

Estudiante 1: ……………………………………………………

Estudiante 2: ……………………………………………………


Mapeo de durezas Metalografía

Escala


44

Coloquio

Práctica Nº3. Ensayo Jominy (Templabilidad de los aceros).

Grupo: ………

Estudiante: ……………………………………………………



45

Hoja de datos

Práctica Nº 4. Tratamiento térmico del bronce al aluminio

Grupo: ………

Estudiante 1: ……………………………………………………

Estudiante 2: ……………………………………………………


Medición de Durezas

Probeta Testigo

(TT) Enfriamiento Rápido

(TT) Enfriamiento Lento

Metalografías

Probeta

Testigo

Aumento: Reactivo:

(TT)

Enfriamiento 1

Aumento: Reactivo:

(TT)

Enfriamiento 2

Aumento: Reactivo:


46

Coloquio

Práctica Nº 4.Tratamiento térmico del bronce al aluminio

Grupo: ………

Estudiante: ……………………………………………………



47

Hoja de datos

Práctica Nº 5.Materiales compuestos: polímeros reforzados con fibras

Grupo: ………

Estudiante 1: ……………………………………………………

Estudiante 2: ……………………………………………………


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


48

Coloquio

Práctica Nº 5.Materiales compuestos: polímeros reforzados con fibras

Grupo: ………

Estudiante: ……………………………………………………



49

Hoja de datos

Práctica Nº 6. Templado de vidrio

Grupo: ………

Estudiante 1: ……………………………………………………

Estudiante 2: ……………………………………………………


Temperatura de

transición vítrea

[Tg]

Temperatura de

reblandecimiento

[To]

Temperatura

de trabajado

[Tt]

PROBETA ENFRIAMIENTO CARGA [g] OBSERVACIONES

N1

N2

N3

N4

N5


50

Coloquio

Práctica Nº 6. Templado de vidrio

Grupo: ………

Estudiante: ……………………………………………………


Documents

Folleto_Ciencia_Materiales_II_ 2015A.pdf