UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Ingeniera de Materiales

ENDURECIMIENTO TERMICO Y ENDURECIMIENTO QUIMICO

II.- OBJETIVOS:

Obtener el valor del Kicde un vidrio comercial. Determinar la resiliencia a la fractura de un vidrio tratado qumicamente

III.- MARCO TEORICO:

GENERALIDADES DE LOS VIDRIOS.Los vidrios son materiales cermicos no cristalinos; se denominan como materialesamorfos(desordenados o poco ordenados), inorgnicos, de fusin que se ha enfriado a una condicin rgida sin cristalizarse. El vidrio es una materia inerte compuesta principalmente de silicatos. Es duro y resistente al desgaste, a la corrosin y a la compresin.Anteriormente la materia prima para la fabricacin del vidrio eran solamente lasarcillas. Con el paso del tiempo se fueron implementando nuevos elementos a la fabricacin del vidrio para obtener diferentes tipos.En la actualidad muchos materiales desempean un papel importante, pero lasarcillassiguen siendo fundamentales.

Fig.1.Imgen de los vidrios.

ESTRUCTURA ATOMICALas estructuras vtreas se producen al unirse los tetraedros de slice u otros grupos inicos, para producir una estructura reticular no cristalina, pero slida (figura 1).

Fig. .2.Estructura atmica del vidrio

XIDOS FORMADORES DE VIDRIOS Los tetraedros SiO4 se encuentran fusionados compartiendo vrtices en una disposicin regular produciendo un orden de largo alcance. En un vidriocorrientede slice los tetraedros estn unidos por vrtices formando una red dispersa sin orden de largo alcance.El xido de boro B2O3, es un xido formador de vidrio y forma sub-unidades que son tringulos planos con el tomo de boro ligeramente fuera del plano de los tomos de oxgeno. No obstante, en los vidrios de boro silicato a los que han adicionado xidos alcalinos y alcalinotrreos, los tringulos de xido de BO3- pueden pasar a tetraedros BO4-, en los que los cationes alcalinos y alcalinotrreos proporcionan la electro neutralidad necesaria. El xido de boro es un aditivo importante para muchos tipos de vidrios comerciales, como vidrios de boro silicato y aluminio boro silicato. El xido alumnico tambin es un xido formador. XIDOS MODIFICADORES DE VIDRIOSLos xidos que rompen la red de vidrio se conocen como modificadores de red. xidos alcalinos como Na2O y K2O y xidos alcalinotrreos como CaO y MgO son incorporados a los vidrios de slice para reducir su viscosidad y as conseguir trabajar y modelar ms fcilmente. Los tomos de oxgeno de estos xidos entran en la red de la slice en los puntos de unin de los tetraedros, rompiendo elentramadoy produciendo tomos de oxigeno con un electrn desapareado. Los iones Na+ y K+ del Na2O y K2O no entran en la red pero permanecen como iones metlicos enlazados inicamente enintersticiosde la red. Estos iones promueven la cristalizacin del vidrio al llenarse algunos de losintersticios. XIDOS INTERMEDIARIOS EN VIDRIOSAlgunos xidos no pueden formar vidrios por s mismos, pero pueden incorporarse a una red existente. Estos xidos son conocidos como: xidos intermediarios. Los xidos intermedios son adicionados al vidrio de slice para obtener propiedades especiales. Por ejemplo, los vidrios de aluminio silicato pueden resistir mayores temperaturas que el vidrio comn. El xido de plomo es otro xido intermediario que se incorpora a algunos vidrios de slice. Dependiendo de la composicin del vidrio, hay xidos intermedios que deben actuar a veces como modificadores de la red, y otras como parte constitutiva de la red del vidrio. TIPOS DE IMPERFECCIONESLas Imperfecciones que presentan los vidrios, originadas en su proceso de obtencin. Son normalmente causados por el hombre y estos son defectos de afino, homogeneidad, vitrificacin y recocido.Despus de una ardua bsqueda se pudimos determinar que los 2 defectos son por masa o superficiales. Y clasificando dichos defectos se obtiene lo siguiente: DEFECTOS SUPERFICIALES.1. RAYADODefecto producido por deficiencias en el pulido o como causa de roces con cuerpos duros durante el almacenado o en el transporte.1. GRIETASFisuras de diferentes longitudes y profundidades, causadas principalmente por el enfriamiento radical bruto a partir de una temperatura inferior al punto de reblandecimiento o bien por la presin excesiva delmboloen productos moldeados.

2.2 TEXTURALa superficie de los vidrios puede variar en cuestiones de brillo, esto depende del proceso de fundido en el que se haya quedado. Un vidrio completamente fundido presenta un brillo, porque el vidrio se nivela y aplana cuando se funde, formando una superficie extremadamente lisa, dicha homogeneidad es una muy buena caracterstica del material pues lo hace ms fcil de limpiar.Cuando un vidrio no se funde completamente en el proceso de coccin o en su defecto su viscosidad es todava alta, la superficie resulta ser rugosa y por lo tanto con tendencia amate; el vidriomatees a la vez opaco por el defecto en la aspereza de su superficie haciendo que no haya transparencia.El vidriomatepuede hacerse a propsito si se somete al vidrio a un enfriado lento. Los vidriosmateson muy atractivos para usos artesanales, con la nica ventaja que son difciles de limpiar.

1. PESO:El peso en los vidrios difiere de acuerdo a su composicin de los vidrios tpicos segn su uso (tabla 2).VidriosSiO2Al2O3CaONa2OB2O3MgOPbOOtros

Slice Fundido99

Vycor964

Pyrex812412

Jarras de vidrio7415154

Vidrio para ventana72110142

Vidrio Plano7311313

Focos7415164

Fibras541416104

Termmetro7361010

Vidrio de Plomo6761710% K2O

Cristal ptico5011913% BaO, 8% K2O, ZnO

Vidrio ptico708102% BaO, 8% K2O

Fibras de vidrio - F55152010

Fibras de vidrio -S652510

Tabla 1. Composicin de vidrios tpicos (en porcentaje en peso)

MALEABILIDAD:Los vidrios presentan maleabilidad cuando se encuentran en su etapa de fundicin pues pueden ser moldeados y es la etapa de maleabilidad del vidrio, pues es donde se les da las formas deseadas ya sea por moldes o por cualquier otro mtodo. Los principales mtodos empleados para moldear el vidrio son el colado, el soplado, el prensado, el estirado y el laminado (ver apndice 2).PROPIEDADES QUIMICAS: DENSIDADDebido a los distintos tipos de vidrios que pueden ser fabricados, las densidades varan de acuerdo a la sustancia con la que sean complementados; normalmente un vidrio puede tener densidades relativas (con respecto al agua) de 2 a 8, lo cual significa que hay vidrios que pueden ser ms ligeros que el aluminio y vidrios que puedan ser ms pesados que el acero.La densidad en un vidrio aumenta al incrementar la concentracin de xido de calcio y xido de titanio. En cambio s se eleva la cantidad de almina (Al2O3) o de magnesia (MgO) la densidad disminuye. (Figura 5).

Fig3. Grfica de aumentos y disminuciones de densidad de acuerdo al incremento en, Porcentajes de sustancias componentes. VISCOSIDADLa viscosidad es definida como la propiedad de los fluidos que caracteriza su resistencia a fluir, debida al rozamiento entre sus molculas; generalmente un material viscoso es aquel que es muy denso y pegajoso.La viscosidad en materia de vidrios es muy importante porque esta determinar la velocidad de fusin.La viscosidad es una propiedad de los lquidos, lo cual parecer confuso para el estudio del vidrio, pero la realidad es que un vidrio es realmente un lquido sobre enfriado, lo cual significa es un lquido que llega a mayores temperaturas que la de solidificacin. La viscosidad va variando dependiendo de los componentes del vidrio (figura 6). Para lograr una mayor dureza, la viscosidad debe ser invariable, que no baje ni suba, as sus molculas tienen una atraccin fija y por lo tanto dureza.

Fig. 4. Variacin de la viscosidad (enpoises) a los 1000 c, de acuerdo a la composicin.4. PROPIEDADES MECANICAS:

4.1 TORSIONLa resistencia a la torsin de un material se define como su capacidad para oponerse a la aplicacin de una fuerza que le provoque un giro o doblez en su seccin transversal. Los vidrios en su estado slido tienen no tienen resistencia a la torsin, en cambio en su estado fundido son como una pasta que acepta un grado de torsin que depende de los elementos que el sean adicionados.4.2 COMPRESIONEl vidrio tiene una resistencia a la compresin muy alta, su resistencia promedio a la compresin es de 1000 MPa; lo que quiere decir que para romper un cubo de vidrio de 1 cm por lado es necesaria una carga de aproximadamente 10 toneladas. La figura 7 indica los distintos porcentajes de compresibilidad para los distintos vidrios dependiendo de las temperaturas.

Fig5. Grfica de porcentajes de compresibilidad dependiente de temperaturas en los diversos tipos de vidrios. TENSIONDurante el proceso de fabricacin del vidrio comercial, el vidrio va adquiriendo imperfecciones (grietas), no visibles, las cuales cuando se les aplica presin acumulan en esfuerzo de tensin en dichos puntos, aumentando al doble la tensin aplicada. Los vidrios generalmente presentan una resistencia a la tensin entre 3000 y 5500 N/cm2, aunque pueden llegar a sobrepasar los 70000 N/cm2 si el vidrio ha sido especialmente tratado. FLEXIONLa flexin de los vidrios es distinta para cada composicin del vidrio. Un vidrio sometido a flexin presenta en una de sus caras esfuerzos de comprensin, y en la otra cara presenta esfuerzos de tensin (Ver figura 8). La resistencia a la ruptura de flexin es casi de 40 Mpa (N/mm2) para un vidrio pulido y recocido de 120 a 200 Mpa (N/mm2) para un vidrio templado (segn el espesor, forma de los bordes y tipos de esfuerzo aplicado). El elevado valor de la resistencia del vidrio templado se debe a que sus caras estn situadas fuertemente comprimidas, gracias el tratamiento al que se le somete.

Fig 6. Vidrio sometido a flexin.

Ensayo de Dureza Vickers

Se entiende por dureza la propiedad de la capa superficial de unmaterial de resistir la deformacin elstica, plstica y destruccin, en presencia deesfuerzos de contacto locales inferidos por otro cuerpo, ms duro, el cual no sufredeformaciones residuales (identador penetrador), de determinada forma ydimensiones. Durante las mediciones estandarizadas de dureza Vickers se hace penetrar un identador de diamante en forma de pirmide de cuatro caras (ver figura 1a) con una ngulo determinado en el vrtice. La utilizacin de una pirmide de diamante tiene las siguientes ventajas: Las improntas resultan bien perfiladas, cmodas para la medicin;1) La forma de las improntas es geomtricamente semejante (figura 1b), por lo cual la dureza para un mismo material es constante, independientemente de la magnitud de la carga.2) La dureza con la pirmide coincide con la dureza Brinell para los materiales de dureza media.3) Este mtodo es aplicable con igual xito para los materiales blandos y duros, y sobre todo para los ensayos de probetas delgadas y las capas superficiales.

Fig.7.figura del identador Vickers y la impronta del identador.El estndar ASTM E 92-82 define la dureza Vickers como un mtodo de ensayo porindentacin por el cual, con el uso de una mquina calibrada, se fuerza un indentadorpiramidal de base cuadrada que tiene un ngulo entre caras especfico, bajo una cargapredeterminada, contra la superficie del material a ser ensayado y se mide la diagonalresultante de la impresin luego de remover la carga.

Fig.8. Sobre el ensayo de VicerksEl sentido fsico del nmero de dureza Vickers. La magnitud de HV es tambin un esfuerzo convencional medio en la zona de contacto del identador, muestra y suele caracterizar la resistencia del material a la deformacin plstica considerable.Con base en esto:

Dnde:d es la media aritmtica de las diagonales d1 y d2.La deduccin de la frmula de clculo del rea A de la impronta piramidal, puede verseEn el anexo 1.Debido a que el valor del ngulo a es constate e igual a 136, en la prctica se usa la siguiente frmula de trabajo:

El mtodo estndar se realiza bajo las siguientes condiciones:

Indentador Pirmide de diamante = 136

Carga (P): 1...120 kgf

Duracin de la carga (t): 10 ... 15 s

Tabla N 2: Escala Comparativa de grados de dureza:Dureza Vickers HVDureza Brinell HBDureza RockwellResistencia a la Tensin N/mm2.

HRBHRC

8076255

8580,741270

9085,548285

9590,252305

1009556,2320

10599,8335

11010552,3350

115109370

12011466,7385

125119400

13012471,2415

135128430

14013375450

145138465

15014378,7480

155147495

160152510

165156530

17016285545

175166560

18017187,1575

185176595

19018189,5610

195185625

20019091,5640

20519592,5660

21019993,5675

21520494690

22020995705

22521496720

23021996,7740

235223755

24022898,120,3770

24523321,3785

25023899,522,2800

25524223,1820

26024724835

26525224,8850

27025725,6865

27526126,4880

28026627,1900

28527127,8915

29027628,5930

29528029,2950

30028529,8965

31029531995

32030432,21030

33031433,31060

34032334,41095

35033335,51125

36034236,61155

37035237,71190

38036138,81220

39037139,81255

40038040,81290

41039041,81320

42039942,71350

43040943,61385

44041844,51420

45042845,31455

46043746,11485

47044746,91520

480(456)47,71555

490(466)48,41595

500(475)49,11630

510(485)49,81665

520(494)50,91700

530(504)51,11740

540(513)51,71775

550(523)52,31810

560(532)531845

570(542)53,61880

580(551)54,11920

590(561)54,71955

600(570)55,22030

610(580)55,72070

620(589)56,32105

630(599)56,82145

640(608)57,32180

650(618)57,8

66058,3

67058,8

68059,2

69059,7

70060,1

72061

74061,8

76062,5

78063,3

80064

82064,7

84065,3

86065,9

88066,4

90067

92067,5

94068

IV.- EQUIPOS, MATERIALES E INSTRUMENTOS

Equipos:Mquina de dureza, marca Indentec.

Fig. 9.- Durmetro

MaterialesDos Probetas de lmina de vidrio transparente 4 x 4 cm y de 8mm de espesor translucido.

Fig. 10.- Vidrio transparente ( 5*5)

Instrumentos Guantes, tenazas o un sujetador apropiado para mover y manipular los recipientes calientes despus de que se hayan secado.

V.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Primero tenemos que conseguir 3 probetas de vidrio de medidas 5*5 alas cuales se las usara una para tratamiento termico la otra para tratamiento quimico y la otra para medir la dureza comercial del vidrio. Luego de obtener las probetas tratadas quimicamente procedemos al ensayo de dureza. En primer lugar calibraremos la maquina de dureza Indentec a una carga de 3kg-f que es la que utilizaremos durante el ensayo; usaremos adems el indentador pirmidal para el ensayo de dureza vickers.

Ensayaremos primero una probeta normal (sin tratamiento quimico), asi que colocamos adecuadamente la probeta sobre la plataforma del equipo y acercamos el indentador hasta que apenas toque la probeta.

Una ves colocada adecuadamente se le aplica la carga elegida de 3kg-f y se procede a medir con ayuda del micrmetro la huella producida, es decir la medida de las diagonales(d) y la longitud de las fisuras(c). Luego el equipo nos arrojara el valor de la dureza vickers(HV) de la probeta, el ensayo se realizara para tres puntos diferentes y distantes de modo que las fisuras de una huella en un punto no influya en la determinacion de la dureza de otro.

Los datos obtenidos es decir la medida de las diagonales, la longitud de las fisuras y la dureza vickers arrojada por el equipo, se registrar y procesar en la siguiente parte del informe.

VI.- ANALISIS DE DATOS:

1. VIDRIO COMERCIAL:

2a1

2a22c12c2

0.15210.14710.39430.4058

0.15520.15520.420.42

2. VIDRIO RAYADO:2a1

2a22c12c2

0.18330.18910.75220.7317

0.18730.18090.7010.7432

3. VIDRIO TRATAMIENTO TERMICO:

2a1

2a22c12c2

0.17820.17810.55220.5317

0.17540.17050.5010.5432

VII.- DISCUSIN DE RESULTADOS

1. El Error Porcentual del Kic en la probeta sin tratamiento quimico fue de 0.5%

2. La Resiliencia a la fractura obtenida de forma experimental en la probeta 1 fue de

VIII.- CONCLUSIONES:

1. La Dureza vickers promedio experimental en la probeta sin tratemiento quimico fue de 2349.235MPa.

2. La resiliencia a la fractura evaluada experimentalmente en la probeta sin tratamiento quimico fue de , mientras que el valor terico para el vidrio comn es de ; el valor difiere en un error del 0.5 , la razn mas probable por la que este valor difiera es por los defectos superficiales consecuencia del manejo, transporte y manipulacion del vidrio.

IX. RECOMENDACIONES

3. Se Recomienda que una ves terminado el tratamiento quimico de las probetas estas se retiren con cuidado, pues si se les fuerza al retirarlas pueden terminar quebrandose las muestras, pues son muy frgiles y puede pasar lo que nos sucedi en este laboratorio.

4. Procurar ser lo mas excto posible durante la medicin con el micrmetro de las diagonales y las fisuras para obtener resultados objetivos.

X.- REFERENCIA BIBLIOGRAFICA

http://www.oni.escuelas.edu.ar/2002/buenos_aires/berazategui/EL%20VIDRIO%20(quimica).htm

Willian F. Smith, Fundamentos de la Ciencia e Ingenieria de Materiales, Mc Graw Hill 1999.

http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r49672.PDF

http://www.utp.edu.co/~gcalle/DUREZAVICKERS.pdf

ANEXOS

DATOS PARA LOS CALCULOS DEL EXPERIMENTO:

PARA LA MUESTRA 1: Tenemos los valores de las diagonales que dejo la identacin al vidrio, tambin las longitudes de las fisuras que se produjo en la identacin entonces calculamos la DUREZA (Hv) Y LA RESILIENCIA A LA FRACTURA(Kic): Vidrio comercial sin ningn tratamientoPara Identacin 1:Prom (2a) =0.1496 mmProm (2c) = 0.3997 mm

Hv= 1.854*3Kgf/ (0.1496 mm)2Hv= 414.206 Kgf/mm2Hv = 248.52* 9.8MPa/1Kgf = 2435.53 MPa

Kic =0.15(Hv.).(c/a)Kic= 0.15 (2435.53 MPa*)*(0.19985*10-3 m/ 0.0748*10-3 m) -1.5Kic= 0.723 MPa*m1/2

Para identacin 2:2a1= 0.1552 mm 2a2= 0.1552 mmProm (2a) = 0.1552 mmProm (2c) = 0.42 mm

Hv = 230.91Kgf/mm2Hv = 230.91*9.8MPa/1Kgf = 2262.94MPa

Kic = 0.15 (2262.94MPa*)*(0.21 * 10-3/0.0776 * 10-3)-1.5Kic =0.67 MPa*m1/2Hallando la resiliencia a la fractura prctica promedio y obteniendo el valor teorico de la resilencia del vidrio de las tablas, podemos obtener el error porcentual:

PARA LA MUESTRA 2:Vidrio tratado con nitrato de potasio Con los valores de las diagonales de la indentacin que se realiz en el vidrio, las longitudes de las fisuras que se produjo en la indentacin calculamos:DUREZA (Hv)Y LA RESILIENCIA A LA FRACTURA (Kic).Para identacin 1:2a1= 0.1833mm P= 3Kgf2a2= 0.1821mmProm (2a) = 0.1827 mmProm (2c) =0.7419mm

Hv =1.854*P/ (2a) 2Hv = 1.854*3Kgf/ (0.1827 mm) 2Hv =166.63 Kgf/mm2Hv = 166.63*9.8MPa/1Kgf= 1632.98 MPa

Kic =0.15(Hv.).(c/a)Kic= 0.15(1632.98MPa.).(0.3709*10-3m/0.0914*10-3m)-1.5Kic = 0.29 MPa.m1/2

VIDRIO FLAMBEADOProbeta N32a1= 0.1782 mm P= 5Kgf2a2= 0.1781mmProm (2a) = 0.17815 mmProm (2c) =0.5419mm

Hv=1.854*P/ (2a) 2Hv= 1.854*5Kgf/ (0.17815mm) 2Hv=175.25 Kgf/mm2Hv = 175.25*9.8MPa/1Kgf= 1717.45 MPaKic=0.15(Hv.).(c/a)Kic=0.15 (1717.45MPa.).(0.2709*10-3m/0.0891*10-3m)-1.5Kic= 0.46MPa.m1/2

IMGENES DEL PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1roRealizamos un tratamiento ala llama el cual consta de colocar los vidrios rayados con forma de numeral en una lata y hacer que el fuego choco hacia ellos.

Anexo.2.lata de aceite que se adecuo para calentar ah los vidriosAnexo.1. vidrio que se utiliz para el tratamiento al fuego.

Anexo.4.observamos los vidrio a ms a una temperatura ms estable.Anexo.3.Colocamos los vidrios en la lata y colocamos el fuego con el soplete.

2do Se realiz el tratamiento qumico:

Anexo.6. Colocacin de los vidrios en la latita.Anexo.5.Lata utilizada para el tratamiento qumico.

Anexo.8.Se le aadi encima de los vidrios la sal.Anexo.7. Se coloc aproximadamente unos 4 vidrios en la lata.

Anexo.10.se hecha fuego con el soplete por un tiempo de aproximado de 4 horas. Anexo.9.Se coloc el tarro dentro del horno.

Anexo.11.Se mide la dureza del vidrio.4Fundamentos de Ciencia de Materiales II