TEMA 1: “Procedimientos de ensayo y medida de los …parte... · Estudio del diagrama esfuerzo-deformación ... Aluminio (Al) y Talio (Ta); semiconductores sometidos a presión

BLOQUE 1.- MATERIALES.

TEMA 1: Procedimientos de ensayo y medida de los materiales

Esquema:TEMA 1: Procedimientos de ensayo y medida de los materiales.....................................................1

1.- Introduccin..............................................................................................................................12.- Propiedades de los materiales..................................................................................................2

2.1.- Propiedades elctricas.......................................................................................................3Conductividad elctrica:...................................................................................................................................3

Resistividad....................................................................................................................................................3Superconductividad........................................................................................................................................3

Piezoelectricidad................................................................................................................................................4Piroelectricidad..................................................................................................................................................4

2.2.- Propiedades magnticas....................................................................................................42.3.- Propiedades electromagnticas.........................................................................................4

Espectro electromagntico................................................................................................................................52.3.1.- pticas.....................................................................................................................................................52.3.2.-Radiacin nuclear: rayos , , y x.......................................................................................5

2.4.- Propiedades trmicas.........................................................................................................52.5.- Propiedades mecnicas.....................................................................................................62.6.- Propiedades qumicas........................................................................................................8

3.- Objeto y clasificacin de los ensayos.......................................................................................84.- Ensayos de propiedades mecnicas. Destructivas.................................................................9

4.1.- Estticas:............................................................................................................................94.1.1.- Dureza......................................................................................................................................................9

4.1.1.1.-De dureza al rayado:.........................................................................................................................9Ensayo de Martens ..................................................................................................................................9Ensayo a la lima.....................................................................................................................................10Ensayo de Mohs.....................................................................................................................................10

4.1.1.2.- A la penetracin:............................................................................................................................10Ensayo Brinell........................................................................................................................................10Ensayo Vickers.......................................................................................................................................11Ensayo Knoop........................................................................................................................................12Ensayo Rockwell....................................................................................................................................12

4.1.1.3.- Ensayos dinmicos:.......................................................................................................................13Mtodo Shore (HS)................................................................................................................................13Mtodo Poldi..........................................................................................................................................14

4.1.2.- Elasticidad, plasticidad, resistencia:...................................................................................................14Esfuerzo o Tensin.................................................................................................................................14Deformacin..........................................................................................................................................14

4.1.2.1.- Ensayo de traccin, fluencia..........................................................................................................14Mquinas de ensayo y probetas tipo......................................................................................................15Estudio del diagrama esfuerzo-deformacin.........................................................................................15Datos que se obtienen del ensayo..........................................................................................................17Ley de Hooke..........................................................................................................................................17

4.1.2.2.- Ensayo de compresin...................................................................................................................17

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1.- IntroduccinEn este tema se plantean los materiales con una finalidad, su utilidad. Al considerar un material

determinado, debe tenerse presente el binomio material-utilidad que deriva de sus propiedades puesto que es necesario definir y cuantificarlas de forma que determinen el comportamiento en el momento de su utilizacin.

Antiguamente, slo la experiencia del constructor o del artesano permita seleccionar los materiales ms idneos en cada caso. Actualmente, a medida que aumentamos el consumo de materiales, se hace necesario racionalizar al mximo su aprovechamiento, evitando sobre dimensionamientos costosos e innecesarios. La reduccin de los coeficientes obliga a intensificar el control de los materiales, dando cada vez con esto ms importancia al ensayo de los mismos.

El estudio basado en los ensayos y la experimentacin sistemtica ha dado lugar a la llamada ciencia e ingeniera de los materiales.

Las propiedades de los materiales son los diferentes comportamientos o respuestas de stos bajo la accin o la influencia de factores externos, como la fuerza, la temperatura, la luz, los agentes qumicos o la electricidad. Al tratar de las propiedades de los materiales deben destacarse los siguientes aspectos:

Por una parte, la necesidad de que las propiedades puedan ser cuantificadas mediante magnitudes.

Por otra, la variabilidad en los valores medidos cuando se realizan los ensayos, es decir, en ensayos idnticos no siempre se obtienen los mismos valores. Debemos controlar la dispersin y errores de los datos.

Un aspecto que tambin es causa de variabilidad al estudiar las propiedades de un material es su carcter istropo o anistropo. En los materiales istropos las propiedades no dependen de la direccin en la que se observen. Los materiales anistropos son aquellos cuyas propiedades varan segn la direccin en la que se consideren.

En este tema se presentan las propiedades ms relevantes de los materiales que en los temas posteriores se ven, de forma ms puntual, en el estudio de cada uno de los materiales tecnolgicos, adems del estudio de los mtodos de ensayo y determinacin de los mismos.

2.- Propiedades de los materialesDefinimos las propiedades de un material, como las caractersticas de las reacciones ante

acciones exteriores que tienden a alterar su equilibrio. Se dice que un material tiene una determinada propiedad cuando la calidad de dicha propiedad es en l superior a cierto lmite, arbitrario y variable, segn la utilizacin que se pretenda hacer con ella.

Las caractersticas de los materiales pueden manifestarse espontneamente, es decir, sin intervencin de agentes exteriores, o por la actuacin de dichos agentes. En el primer caso tenemos las propiedades intrnsecas del material ; como son el peso especfico, el volumen, la configuracin cristalogrfica, etc. En el caso de que las propiedades se manifiesten al actuar una causa exterior en el material.

Es importante conocer la relacin que existe entre estructura interna del material, su procesamiento y sus propiedades finales. Cuando se cambia alguno de los tres aspectos de esta




relacin, cualquiera de los otros tambin se alterar.

Las propiedades pueden agruparse de maneras diferentes. No obstante, desde el punto de vista tcnico la siguiente clasificacin:

1. Propiedades sensoriales.- Son aquellas propiedades que, como el color, el brillo o la textura , estn relacionadas con la impresin que produce el material en nuestros sentidos.

2. Las propiedades fisicoqumicas.- Son aquellas propiedades que nos informan sobre el comportamiento del material ante diferentes acciones externas.

3. Propiedades tecnolgicas.- Son aquellas propiedades que nos informan sobre el comportamiento del material durante la fabricacin.

4. Propiedades ecolgicas.- Son aquellas propiedades relacionadas con la mayor o menor nocividad del material para el medio ambiente: toxicidad, volatilidad, facilidad de reciclado, etc.

Como todas las propiedades pueden relacionarse de forma qumica, fsica, constitutiva, etc, se ha determinado realizar la clasificacin segn su clasificacin ms inmediata en: elctrica, magntica, electromagntica, trmica, mecnica y qumica.

2.1.- Propiedades elctricasEn muchas aplicaciones, el comportamiento elctrico es ms importante que el mecnico.

Conductividad elctrica:La conductividad elctrica es la facilidad con la que cada material deja pasar a travs de el

una corriente de cargas elctricas al estar sometido a una diferencia de potencial en sus extremos.

Su valor vara con la temperatura y por el nmero de defectos en la red (dislocaciones o impurezas en el material). Si la graduamos podemos clasificar esta propiedad en : superconductividad, conductividad, semiconductividad, dielectricidad.

Resistividad

Se denomina resistividad a la propiedad inversa de la conductividad. =RA

L= 1

Segn la resistividad se clasifican los materiales en: Superconductores: su resistividad es cero, es decir, que est por debajo de la precisin de

los instrumentos de medida actuales. Conductores: su resistividad es muy baja del orden de 106104cm . Semiconductores: su resistividad es media del orden de 103109cm . Hay de dos

tipos intrnsecos y extrnsecos (con impurezas). Normalmente se emplea Silicio (Si), Germanio (Ge) o Arseniuro de Galio (AsGa). No tiene dual como propiedad.

Dielctricos o aislantes: su resistividad es muy alta del orden de 1091022cm . Suelen ser materiales plsticos, cermicos y vtreos.

SuperconductividadSon considerados conductores perfectos, pero en la actualidad slo se dan en muy bajas

temperaturas. De entre ellos podemos destacar metales como el mercurio (Hg), plomo (Pb), Indio (In), Aluminio (Al) y Talio (Ta); semiconductores sometidos a presin como el Silicio (Si) y Germanio (Ge); materiales intermetlicos como el Niobio-Titanio (NbTi) o aleaciones como el Magnesio boro(MgB2) y xidos cermicos de estructura perovskita.




Sus aplicaciones:

Mdicas : aparatos de resonancia magntica nuclear y TAC.

Electrotcnicas : levitacin magntica de trenes, transformadores de alto campo, interruptores electrnicos, computadores de alta velocidad, Bateras de automviles elctricos, plantas de energa para fusin, motores y generadores de corriente alterna...

PiezoelectricidadCapacidad de algunos materiales para generar electricidad al ser presionados y/o viceversa,

capacidad de modificar sus dimensiones al someterlos a un campo elctrico. Cambio de dimensiones de un material cuando acta sobre l un campo elctrico. Aplicaciones tpicas son los denominados msculos de hilo (muscle wire) empleados en bioingeniera, binicas, o robticas de Nitinol. Se trata de aleaciones de Niquel y Titanio. Ejemplo:cuarzo, perovskita (titanatos, tantalio de litio, Nitrato de litio...) .

Sus aplicaciones tpicas son: Mdicas: sustituto de la piel humana Electrnicas: cristales resonadores para relojes y computadores, micrfonos o transductores

de presin. Militares: detectores ultrasnicos.

PiroelectricidadCuando la temperatura de un cristal vara uniformemente (se calienta o se enfra) se puede

producir un desplazamiento de los iones de tal manera que se polariza. Los materiales ms usuales son la turmalina y la Sel de Rochelle.

Sus aplicaciones: transductores de calor-temperatura en cmaras trmicas y de visin nocturna, as como en sensores de presencia PIR de sistemas de alarma.

2.2.- Propiedades magnticasEstas propiedades representan la interaccin de la

estructura y la microestructura atmica con el campo magntico; esto permite producir imanes permanentes y electro imanes. Algunas de las propiedades son: dipolos y momentos magnticos, imanacin, permeabilidad, magnetizar(es comunicar a algn cuerpo la propiedad magntica, convertirlo en un imn), ferromagnetismo, ferrimagnetismo, paramagnetismo (al aumentar la temperatura disminuye su imanacin), antiferromagnetismo y diamagnetismo.

Los materiales magnticos se pueden dividir en: blandos, duros, nanomateriales (generados por Sputtering y sistemas magneto pticos. Sus aplicaciones: tecnologa militar, investigacin, materiales inteligentes.)




2.3.- Propiedades electromagnticasLas propiedades electromagnticas se pueden clasificar en dos grandes grupos: pticas y

radioactivas.

Dentro de cada grupo, podemos distinguir las siguientes propiedades: emisin, transmisin, absorcin, reflexin y refraccin.

Espectro electromagntico.Un material puede emitir, transmitir, absorber, reflejar y refractar energa o radiaciones en forma

de ondas o partculas. Aunque los materiales pueden tener caractersticas sobre todo el espectro electromagntico de frecuencias, analizaremos el rango de espectro visible e infrarroja y el rango de radiacin nuclear, que son los ms completos.

2.3.1.- pticasAl incidir fotones sobre un material, ceden su energa produciendo luminiscencia (propiedad de

emitir luz en cualquier rango de frecuencia) y esta se clasifica en f otoemisin se da en algunos metales y semiconductores por ejemplo LED, diodos LASER, fosforescencia emisin de radiacin de un material durante un tiempos con tiempos de relajacin grandes, fluorescencia emisin de radiacin de un material con tiempos de relajacin pequeos. Otras propiedades son: absorcin (metales de color negro), reflexin (metales de color blanco o plateado), transmisin, refraccin.

2.3.2.-Radiacin nuclear: rayos , , y x.Se denomina radiactividad al fenmeno por el cual los tomos emiten radiaciones de forma

espontanea porque se trata de tomos inestables y buscan su estabilidad a estos se les denomina isotopos. Los materiales, al igual que pasaba en el espectro visible, pueden emitir, transmitir, reflejar o absorber energa del rango de rayos nucleares y csmicos.

Las emisones pueden ser de rayos , rayos , rayos y de rayos x (los tomos de cada elemento producen un espectro caracterstico que permite usar estas emisiones para identificar materiales).

Ademas de las propiedades de absorcin, transmisin, reflexin, refraccin y difraccin (cuando las ondas de una radiacin de cualquier clase llegan a un material que posee una pequea abertura, se propagan ms all del obstculo en todas direcciones, constituyndose la abertura el centro de la radiacin. Esto puede observarse con las ondulaciones producidas en el agua al caer una piedra y al encontrar stas un muro con una abertura. Si en lugar de encontrar una abertura encuentran las ondas en su camino una reja con aberturas espaciadas regularmente a una distancia igual o mayor que la longitud de onda de la radiacin, se observa que las ondas secundarias originadas en cada abertura se interfieren y anulan en la mayora de direcciones, pero existen direcciones privilegiadas que en vez de anularse se refuerzan originando la difraccin. Se emplea en medicina con mquinas de oncologa y rayos x).




2.4.- Propiedades trmicasSon:

Calor especfico : cantidad de calor tomada o cedida por un cuerpo para variar en una cantidad su temperatura., es decir, equivale a la cantidad de energa que hay que suministrar por unidad de masa para elevar la temperatura del sistema un grado

C= Qm. T fT i

= Qm. T .

C apacidad calorfica de un sistema cerrado en un proceso infinitesimal que depende de la P

y T de trabajo, se define como C= limT 0

QT (J/K).

C onductividad , indica la velocidad en la que se transfiere el calor a travs de un material. Esta propiedad permite diferenciar entre materiales: conductores trmicos y materiales aislantes.

P untos crticos : fusin, ebullicin, sublimacin, transicin vtrea e inflamabilidad.

Punto de fusin: temperatura a la cual un material pasa del estado slido a lquido. Punto de ebullicin: temperatura a la cual un material pasa del estado lquido a

gaseoso. Punto de sublimacin: temperatura a la cual un material pasara de estado slido a

gaseoso. Punto de transicin vtrea: temperatura a la cual algunos materiales polimricos

pasan de estado slido a un estado gomoso. Punto de inflamabilidad: es la temperatura ms baja en la que puede formarse una

mezcla inflamable en contacto con el aire. El comportamiento de los materiales frente al fuego es muy variable, pudindose clasificar desde este punto de vista en: incombustibles, autoextinguibles, combustibles, inflamables.

C ambio de forma o tamao: Dilatacin . Consiste en el aumento o disminucin de las dimensiones del material en funcin de la temperatura del mismo, causada por la agitacin de los tomos dentro de la red cristalina por la energa aportada por la temperatura.

2.5.- Propiedades mecnicasSon:

a) Masa y peso . Masa es la magnitud que cuantifica la cantidad de materia de un cuerpo. El peso es la medida de la fuerza gravitatoria actuando sobre un objeto, al ser una fuerza, se mide con un dinammetro.

b) V olumen cantidad de espacio que ocupa su materia .c) Densidad / peso especfico, () es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en

un determinado volumen =mv= Kgm3 . El peso especfico es el cociente entre el peso del

material y el volumen que ocupa en el espacio. Cuando se trata de gases es preciso fijar la presin y la temperatura a que se encuentra.

d) Porosidad , o capacidad de un objeto de absorber lquidos o gases.




e) Resistencia se refiere a la capacidad de los slidos deformables para soportar tensiones sin alterar su estructura interna o romperse. Esta resistencia puede ser:

Resistencia a la traccin o compresin que es la tensin que corresponde a la carga mxima en un ensayo de traccin.

Resistencia a flexin que es la tensin requerida para fracturar una probeta en un ensayo de flexin, se conoce tambin como mdulo de rotura.

Resistencia a la fatiga que es la tensin requerida para causar fallo por fatiga en un nmero determinado de ciclos. Es por tanto la disminucin de la resistencia mecnica de los materiales al someterlos a esfuerzos repetidos.

La dureza se utiliza para obtener una medida de resistencia de la superficie de un material a la penetracin por un objeto duro. Se relaciona directamente con sta el desgaste y, en ocasiones, la rugosidad superficial o conjunto de irregularidades de la superficie real.

La cohesin es la resistencia que ofrecen los tomos a separarse. Est relacionada no slo con la resistencia sino con la tensin, elasticidad y plasticidad, pero se valora tambin con los ensayos de dureza y los de traccin.

f) Elasticidad y Rigidez El trmino elasticidad designa la propiedad mecnica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentra sujetos a la accin de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan. Pero la medida cualitativa de la deformacin elstica producida por un material es la rigidez. Un material rgido tiene un mdulo de elasticidad elevado.

g) Deformacin es el cambio en el tamao o forma de un cuerpo debido a la aplicacin de una o ms fuerzas sobre el mismo o la ocurrencia de dilatacin trmica. Pero el incremento porcentual total en la longitud de una probeta durante una deformacin se denomina elongacin. Con esto la deformacin elstica es la alteracin del material que se recupera al eliminar la fuerza aplicada.

h) Plasticidad . Es la deformacin que se conserva una vez quitada la carga son deformaciones permanentemente e irreversiblemente.

i) Tenacidad: resiliencia . La tenacidad es la medida cualitativa de la capacidad de un material para resistir un impacto. Un material que resiste la rotura por impacto se dice que es tenaz. Pero la medida cuantitativa de la energa total que absorbe un material hasta romperse o cantidad de energa por unidad de volumen que puede absorber un material es lo que se denomina resiliencia. Por tanto la resiliencia en el resultado de la medida de la tenacidad.

j) Ductilidad, Fragilidad, maleabilidad y sectilidad. Capacidad de un material para deformarse de forma permanente sin romperse, cuando se le aplica una fuerza .As la capacidad relativa a la facilidad de estirarlo en forma de hilos. Existe una temperatura de transicin a la cual un material cambia su comportamiento de frgil a dctil denominada temperatura de transicin.. Por tanto la ductilidad es consecuencia e la tenacidad, elasticidad, plasticidad y resistencia y est ntimamente relacionado con stas. Adems de la ductilidad tenemos:

Frgil (fragilidad): Calidad de un material relativa a la facilidad de romperse o reducirse a polvo. Si un material es frgil no es tenaz.

Maleable (maleabilidad): Capacidad relativa a la facilidad de conformarse deformndose en forma de hojas delgadas..

Sectil (sectilidad): Capacidad de un material relativa a la facilidad para cortar en virutas delgadas con un cuchillo.




k) Hidrodinmicas: viscosidad y permeabilidad . La viscosidad es la oposicin de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. La permeabilidad es una propiedad que nos sirve para diferenciar materiales insolubles que se dividen en permeables e impermeables, segn que permitan o no el paso del agua a su travs, pudiendo hacerlo en ambos casos por inhibicin o sin inhibicin. La permeabilidad de un material crece al aumentar la temperatura as como la diferencia de presin y decrece al aumentar el espesor de la pieza, o al disminuir el radio medio de la red capilar.

l) A csticas: Conductividad es la capacidad de conducir en este caso vibraciones del rango de las ondas snicas porque su resistencia es muy baja al paso de las mismas.

2.6.- Propiedades qumicas Composicin. Estabilidad : La composicin de un

material es el conjunto de tomos de elementos qumicos que forman parte del mismo. En funcin de los elementos que lo componen, entre otras causas, depender la estructura cristalina y el resto de propiedades. Se denomina elemento si todos sus tomos son iguales. Mientras que recibe el nombre de compuesto si stos son distintos. La estabilidad de un elemento qumico es una propiedad que depende de si tienen completa la ltima capa de electrones de valencia.

Estructura cristalina o red cristalina . La red cristalina es un apilamiento simtrico de los tomos en el espacio y es propio de cada elemento.

P olimorfismo o Alotropa . El polimorfismo es la capacidad de un material slido de existir en ms de una forma o estructura cristalina estable. Por ejemplo, el diamante y el grafito son polimorfos del carbono. Cuando esta propiedad se da en compuestos formados por un nico elemento se denomina tambin alotropa.

Fuerza de enlace debida a la estructura: inica, covalente o metlica. Conductividad elctrica inica.: El tipo de enlace es una propiedad de los materiales que depende de la composicin qumica de los mismos y es la causa de algunas propiedades como la conductividad elctrica, dureza, ...: La conductividad inica es la propiedad que tienen algunos materiales que se produce al disociarse molculas, con enlace inico, en iones que, sometidas a un campo elctrico, se mueven. A este proceso se denomina electrolisis. Aplicaciones que se basan en esta propiedad son: las bateras salinas, bateras recargables (in-Litio) o las pilas de combustible.

Corrosin. Oxidacin . Podemos definir la corrosin como el deterioro lento de un material por la accin de un agente exterior. .

3.- Objeto y clasificacin de los ensayos.Los ensayos de materiales tienen como objeto poner de manifiesto, mediante mtodos, las

propiedades de los materiales ensayados o descubrir los defectos de las piezas fabricadas.




Se pueden clasificar los ensayos de medida atendiendo a diversos criterios: Rigurosidad del ensayo :

Cientficos: se hacen en laboratorios especializados y permiten obtener valores precisos y normalizados.

Tecnolgicos: se realizan en fbrica e indican calidades del material. Que desde el punto de vista mecnico de conformacin, por ejemplo: doblado, embuticin, forja, corte, punzonado, soldadura.

Tipo de anlisis de la propiedad: Cualitativos: indican la presencia o no de la propiedad en el material. Cuantitativos: dan una magnitud de la composicin o de las propiedades en el material.

La naturaleza del ensayo : segn algunos autores se organiza de la siguiente manera: Qumica: permite conocer la composicin cualitativa y/o cuantitativa del material, as

como, la naturaleza del enlace qumico o la estabilidad del material frente agentes corrosivos.

Metalogrficos: permiten conocer la estructura interna del material con el uso del microscopio.

Fsico: cuantifican ciertas propiedades fsicas: densidad, punto de fusin... Nucleares: permite conocer la composicin cualitativa y/o cuantitativa del material. Electromagnticas: permite descubrir las propiedades elctricas y/o magnticas de los

materiales as como localizar defectos. Mecnicas: se determina la resistencia del material a ciertos esfuerzos. Segn la

velocidad de aplicacin de los esfuerzos, se subdivide en: Estticas : la velocidad de aplicacin de la fuerza no influye en el resultado. La carga

que se aplica es constante o progresivamente creciente Dinmicas : la velocidad de aplicacin es importante en el ensayo, la carga se aplica

brusca o alternativamente variable con el tiempo. Segn se mantenga la integridad del material:

Destructivos: producen dao o rotura de la pieza sometida a ensayo No destructivos: no ven alterada su forma y su presencia inicial.

4.- Ensayos de propiedades mecnicas. DestructivasEn estos ensayos la probeta a analizar se inutiliza despus del ensayo. Pueden ser estticos o

dinmicos.

4.1.- Estticas:

4.1.1.- DurezaEs el resultado de un ensayo. Es la resistencia superficial a la deformacin

4.1.1.1.-De dureza al rayado:Los primeros procedimientos que se utilizaron, se basaron en la

resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados.

Ensayo de Martens

Fue la primera mquina que se emple para medir la dureza al rayado.




El ensayo consista en la medida de la anchura de una raya, que se produce en el material ensayado mediante una punta de diamante de forma piramidal, cargada con una fuerza determinada y

constante. As el valor de la dureza se calcula: M=1000

a2 Se mide la anchura del surco mediante

micras.

Ensayo a la lima

Por medio de una lima en buen estado, se puede determinar de forma aproximada la dureza de un acero templado.

Si no entra la lima, la dureza del acero ser superior a 60 HRC (60 Rock-well-C), y si entra la dureza ser inferior a 58 HRC (58 Rockwell-C)

Ensayo de Mohs

Basada en una escala de diez minerales donde el cuerpo ms duro era el diamante y el ms blando el talco y se empleaba desde el ms blando hasta que se rayaba el material. Actualmente en desuso. La escala es: talco (1), gema de sal (2), calcita (3), fluorita (4), apatito (5), feldespato (6), cuarzo (7), topacio (8), corindn (9) y diamante (10).

4.1.1.2.- A la penetracin:Estas tcnicas cuantitativas para determinar la dureza de los materiales se basan en un

pequeo penetrador que es forzado sobre la superficie del material a ensayar en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicacin de la misma. Miden la huella resultante.

Ensayo Brinell

Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un dimetro determinado, contra el material a ensayar, por medio de una carga (F) y durante un tiempo determinado (t). HB = F/ S (Kp/mm2) .

Teniendo en cuenta la superficie del casquete esfrico que constituye la huella de la bola, tendremos el nmero en kilogramos de presin por milmetro cuadrado, y este nmero es, precisamente, lo que se denomina cifra de dureza de Brinell. Su unidad es HB.

Desarrollo del procedimiento:1. Comprimo la bola conocida.2. Conocemos la fuerza y el tiempo de presin.3. Medimos la huella en su dimetro d4. Como la esfera deja sobre el material un rea de S=2. .h calculamos la

altura como sigue:

Pitgoras: D2

2

=D2h

2

d2

2

, donde x= D2h luego

x= D2 2 d2 2 , sabamos por el diseo que el valor de h es:




h= D2x= D

2 D2 2 d2 2 sustituyendo el rea:

S= . D . D2D2 2 d2 2= . D2 .D D2 d 2

5. Luego la dureza es : HB=FS= 2 F D DD 2d 2

Condiciones normales del ensayo:

D = 10 mm F = 3000 Kg Tiempo de carga 15 segundos. ( El tiempo oscila entre 10 segundos y 3 minutos, cuanto ms

duro es el material menos es el tiempo de aplicacin de la carga).Resultado:HB 5/ 750 / 20. ( bola de 5mm, carga de 750 Kg, y tiempo 20 segundos).

Limitaciones:1. Carga a aplicar: Depende del material a probar y del dimetro del penetrador. P=K.D2 .

La K es una constante tabulada.

2. Relacin del dimetro de la bola D4d D

2 donde d=0,375 . D

Caractersticas del ensayo Brinell

No es fiable en materiales muy duros y de poco espesor. No es recomendable para piezas cilndricas y esfricas. No es recomendable para valores superiores a 500 HB, si la bola del penetrador no es de

carburo de volframio. Debe cumplirse la relacin del dimetro de la bola para que el error del ensayo por

deformacin del material no sea muy grande. Debe cumplirse la relacin de la carga a aplicar Algunos valores de resistencia a traccin y dureza estn tabulados

Se puede conocer el tipo de acero que se ensaya mediante la relacin: %C=HB80

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Ensayo Vickers

Para este ensayo el penetrador que utilizamos es una pirmide regular de base cuadrada, cuyas caras laterales forman un ngulo de 136. Se recomienda utilizar este ensayo para durezas superiores a 500 HB

Desarrollo del procedimiento:1. Comprimo una punta piramidal de base cuadrada y ngulo en el

vrtice de 136 entre las caras.2. Conocemos la fuerza y el tiempo de presin.3. Medimos la huella en su diagonal d4. Como la pirmide deja sobre el material un rea de

S=4.rea de unacara=4. b2.a calculamos la altura a como




sigue: a=OS= OCsen68=

b /2sen68 , donde S=4.

b2

b2. sen68

= b2

sen685. Como la medida de ensayo es en funcin del dimetro de la huella:

d 2=b2b2=2 b2b2=12d 2

6. Luego el rea: S= d2

2 sen68= d

2

1,854

7. Luego la dureza es : HB=FS=1,854 F

d 2

Resultado:520 HV 30 / 15. ( 520 nmero de dureza Vickers,

carga de 30 Kg, y tiempo 15 segundos).

Caractersticas del ensayo l

Las cargas aplicadas son ms pequeas que el mtodo Brinell (oscila entre 1 y 120 Kp), suele emplearse las cargas 1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 100 y 120 Kp. La ms empleada es de 30 Kp.

El tiempo de aplicacin es de 10 a 30 segundos, siendo 15 segundos lo ms empleado. Se utiliza tanto para materiales duros como blandos y puede aplicarse en piezas muy

delgadas de (e=0,2mm). Puede medir dureza superficial por la poca profundidad de la huella.

Ensayo Knoop

Para medir microdurezas se emplea este mtodo que se diferencia del anterior en que el penetrador piramidal es de base rmbica adems las cargas que se aplican son muy pequeas, del orden de gramos, producindose huellas con diagonales en relacin 7/1, la diagonal mayor de la huella se mide con un microscopio siendo el mismo principio que lo rige. Se mide en HK.

Ensayo Rockwell

El mtodo Brinell no permite medir la dureza de los aceros templados porque se deforman las bolas. Para evitar este hecho se utiliza la mquina de Rockwell, que se basa tambin en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados por una bola. No obstante, a diferencia del anterior, se determina la dureza en funcin de la profundidad de la huella y no de su superficie.

Realizacin de la prueba1. Aplicacin de una carga inicial F0 de 10 Kp y marcar la huella h0.2. Aplicar una carga adicional F1 que origina una huella mxima. (F1+F0).

3. Elimina la carga F1. Reaccin elstica del material y hace que se eleve el penetrador una cierta cantidad quedando una huella permanente. F0 y hp.




4. El nmero que se lee sobre la escala del equipo despus de retirar la carga F1 marca la dureza Rockwell correspondiente al valor de la profundidad de huella permanente e, siendo cada unidad de e de 2 micras o 0,002 mm

5. El penetrador consiste en una bola para materiales blandos, obtenindose el grado de dureza Rockwell bola (HRB); o bien un cono de diamante de 120 para materiales duros resultando el grado de dureza Rockwell como HRC. Siendo HRC=100e y HRB=130e .

Es un ensayo muy rpido y fcil de realizar, pero menos preciso que los anteriores. Es vlido para materiales blandos y duros.

4.1.1.3.- Ensayos dinmicos:En comparacin con los ensayos estudiados, presentan la ventaja de la rapidez,

comodidad y utilidad, ya que se pueden hacer en cualquier lugar por utilizar equipos porttiles. Por el contrario su desventaja es la menor fiabilidad.

Mtodo Shore (HS)Se basa en la reaccin elstica del material sometido a la accin de un

percusor que, despus de chocar con la probeta a ensayar, rebota hasta una cierta altura. El nmero de dureza HS se deduce de la altura alcanzada en el rebote.

Caractersticas del ensayo No es de gran precisin, pero es muy rpido. El equipo es fcil de manejar, poco voluminoso y de coste

reducido. Apenas produce deformacin en la probeta (no deja huella). Es muy apto para controlar grandes series al no daar las

piezas ni eliminar posibles capas superficiales.




Por aproximaciones experimentadas pueden carcularse los valores de otras durezas: para fundiciones grises HS=5,25 HB para aceros de contenido medio en carbono HS= 6,65 HBAl no producir deformaciones, permiten aplicarse a todo tipo de

materiales

Mtodo PoldiEs un mtodo de impacto que consiste en lanzar una bola de acero de 5

mm de dimetro sobre el material a medir , de manera que el impulso produzca una huella permanente , se calcula midiendo la huella segn la

frmula: H=S pS

. H p donde H, S es relativo al material y Sp y Hp al

patrn.

4.1.2.- Elasticidad, plasticidad, resistencia:Las acciones exteriores que pueden actuar sobre un cuerpo pueden ser de diversos tipos,

traccin, compresin, cizalladura, flexin, pandeo y torsin. Generalmente no suelen presentarse aislados sino como combinacin de ambos.

Esfuerzo o Tensin

Esfuerzo o tensin son las fuerzas que aparecen en el interior de las piezas cuando estn sometidas a cargas exteriores. Esto nos permite observar posibles comportamientos resistentes.

= PS0

= Tensin unitaria (N/mm2)

P = Carga aplicada (N)

S0 = Seccin inicial (mm2)

Deformacin

Es la variacin de dimensiones iniciales que sufre una pieza por efecto de las fuerzas aplicadas en su eje normal o tangencial. Despus de su alargamiento su longitud aumenta.

A la deformacin por unidad de longitud se denomina deformacin unitaria.

= L0

=LL0

= deformacin unitaria (adimensional)

= alargamiento (mm)

L0 = longitud inicial (mm)

L = longitud final




4.1.2.1.- Ensayo de traccin, fluenciaConsiste en someter a una probeta de forma y dimensiones normalizadas a un sistema de fuerzas

exteriores (esfuerzo de traccin) en la direccin de su eje longitudinal , tienden a alargarse las fibras producindose deformaciones hasta romper la probeta.

La deformacin puede ser elstica si el cuerpo deformado recupera las dimensiones iniciales al cesar la carga , o plstica si el cuerpo queda desformado permanentemente.

Mquinas de ensayo y probetas tipo

Existen dos tipos de probetas:

Las probetas cilndricas se utilizan en ensayos con materiales forjados, fundidos, barras y redondos laminados y planchas de espesor grueso.

Las probetas prismticas se emplean en planchas de espesores medios y pequeos.

Las probetas constan de una parte central calibrada, ensanchndose en sus extremos llamados cabezales, donde son sujetas por las mordazas de la mquina de traccin.

Las mquinas de traccin son dispositivos mecnicos o hidrulicos que someten a las probetas a un esfuerzo o tensin de traccin creciente en todas las secciones transversales. Esto provoca un desplazamiento de las mordazas que sujetan la probeta, que comienza a alargarse, entonces la mquina detecta, cuantifica y relaciona las tensiones aplicadas y las deformaciones (alargamientos) producidos.

Estudio del diagrama esfuerzo-deformacin

Los resultados del ensayo quedan reflejadas en un diagrama en el que los valores de deformacin (alargamientos) producidos se representan en el eje de abscisas y las tensiones de traccin en el de ordenadas .

Se determinan 2 regiones: Zona elstica (OE). Las deformaciones provocadas no son

permanentes y el material verifica la ley de Hooke. Dentro de la zona elstica distinguiremos dos zonas: Zona de proporcionalidad (OP). Observamos que se trata de una recta, por tanto,

existe una proporcionalidad entre las tensiones aplicadas y los alargamientos unitarios. Matemticamente se cumple: =cte. .Es la zona donde deben trabajar los materiales.

Zona no proporcional (PE). El material se comporta de forma elstica, pero las deformaciones y tensiones no estn relacionadas matemticamente. No es una zona aconsejable para trabajar los materiales, ya que no podemos controlar la relacin deformacin-tensin aplicada, aunque el material es elstico




Zona plstica (ES). Se ha rebasado la tensin del lmite elstico E, de tal forma que aunque dejemos de aplicar tensiones de traccin, el material ya no recupera su longitud original, es decir, su longitud ser algo mayor que lo. Diremos que el material ha sufrido deformaciones permanentes. Dentro de la zona plstica distinguiremos otras dos zonas:

Zona lmite de rotura (ER). Zona de comportamiento muy similar a la anterior, donde a pequeas variaciones de tensin se producen grandes alargamientos. la diferencia con el anterior es que los materiales no tienen comportamiento elstico, ya que estamos en zona plstica y las deformaciones son permanentes. El lmite de esta zona es el punto R, llamado lmite de rotura, y a la tensin aplicada en dicho punto la denominaremos tensin de rotura. A partir de este punto el material se considera roto, aunque no se haya producido la fractura visual.

Zona de rotura (RS). Superado el punto R, aunque se mantenga constante o baje ligeramente la tensin aplicada, el material sigue alargndose progresivamente hasta que se produce la rotura fsica total en el punto S. La probeta previamente a la rotura sufre una contraccin que se denomina estriccin

e=A0Au

A0.100

e= estriccin en %

Au = Seccin ltima

A0 = Seccin inicial Este comportamiento de los materiales se puede generalizar. No obstante, existen algunas

excepciones entre las que se encuentra el acero, cuya grfica del ensayo de traccin presenta una caracterstica peculiar, y es la existencia de una zona localizada por encima del lmite elstico, donde se produce un alargamiento muy rpido sin que vare la tensin aplicada. Este fenmeno se conoce como fluencia, ya que el material fluye sin causa aparente. El punto donde comienza dicho fenmeno se llama lmite de fluencia (F), y la tensin aplicada en dicho punto tensin de fluencia.

Termofluencia.- Si se aplica un esfuerzo a un material que est a temperatura elevada, dicho material puede estirarse y finalmente fallar, an si el esfuerzo aplicado es menor que el de fluencia a tal temperatura. La deformacin plstica a temperaturas altas es conocida como termofluencia. Los ensayos de termofluencia nos permiten determinar la vida esperada de un componente para una combinacin particular de esfuerzo y temperatura.




Datos que se obtienen del ensayo

El ensayo nos permite calcular los valores siguientes partiendo de una probeta de seccin A0 (mm2), longitud L0 (mm) y carga exterior variable P(N).:

Zonas elstica y plstica. Lmite de elasticidad e Lmite proporcional p Tensin de fluencia. f Esfuerzo de rotura. r

Mdulo de elasticidad de Young tg= =

P /A0/L0

=P. L0A0 .

=E Kg /mm2

Ley de HookeEsta ley establece que , dentro de la zona elstica del material, la elongacin es proporcional al

esfuerzo aplicado =E . El mdulo de Young E es, pues, el valor de la pendiente de la recta y expresa la resistencia del material a la deformacin elstica. Cuanto mayor sea E, la pendiente ser ms aguda y el material ser ms rgido y por tanto ms frgil.




4.1.2.2.- Ensayo de compresinLos ensayos de compresin se realizan en la misma mquina de traccin. Se estudian los

esfuerzos sobre la misma base que la traccin pero cuando se presiona el material.

Estudia el comportamiento de un material al ser sometido a una carga progresiva de compresin o de aplastamiento. Todas las caractersticas de este ensayo son iguales a las anteriores pero con signo contrario. As:

=PS 0

Tensin unitaria

L=LL00 Contraccin total

= LL0

Contraccin unitaria

S=SS 00 Variacin de la seccinEn el diagrama de compresin se representan los

aplastamientos tensiones ejercidas, pero no quedan claros el lmite de fluencia ni la carga de rotura. Cuando los aplastamientos son permanentes la seccin empieza a aumentar. En los materiales plsticos (Cu, latn, hierro dulce..) no existe una verdadera carga de rotura por compresin porque se aplastan sin romperse y en los frgiles (como fundicin, acero templado..) rompen sin deformarse previamente.



TEMA 1: Procedimientos de ensayo y medida de los materiales1.- Introduccin2.- Propiedades de los materiales2.1.- Propiedades elctricasConductividad elctrica:ResistividadSuperconductividad

PiezoelectricidadPiroelectricidad

2.2.- Propiedades magnticas2.3.- Propiedades electromagnticasEspectro electromagntico.2.3.1.- pticas2.3.2.-Radiacin nuclear: rayos , , y x.

2.4.- Propiedades trmicas2.5.- Propiedades mecnicas2.6.- Propiedades qumicas

3.- Objeto y clasificacin de los ensayos.4.- Ensayos de propiedades mecnicas. Destructivas4.1.- Estticas:4.1.1.- Dureza4.1.1.1.-De dureza al rayado:Ensayo de Martens Ensayo a la limaEnsayo de Mohs

4.1.1.2.- A la penetracin:Ensayo BrinellEnsayo VickersEnsayo KnoopEnsayo Rockwell

4.1.1.3.- Ensayos dinmicos:Mtodo Shore (HS)Mtodo Poldi

4.1.2.- Elasticidad, plasticidad, resistencia:Esfuerzo o TensinDeformacin4.1.2.1.- Ensayo de traccin, fluenciaMquinas de ensayo y probetas tipoEstudio del diagrama esfuerzo-deformacinDatos que se obtienen del ensayoLey de Hooke

4.1.2.2.- Ensayo de compresin

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TEMA 1: “Procedimientos de ensayo y medida de los …parte... · Estudio del diagrama esfuerzo-deformación ... Aluminio (Al) y Talio (Ta); semiconductores sometidos a presión