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Bloque I Materiales Propiedades

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Academic year: 2021

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MATERIALES I.PROPIEDADES Y ENSAYOS . 1.INTRODUCCIÓN.

2.CLASIFICACIÓN DE PROPIEDADES Y ENSAYOS. 2.1.Clasificación de propiedades de los materiales 2.2.Clasificación de los ensayos.

3.PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES Y SUS ENSAYOS. 3.1.Ensayo de tracción.

3.1.1.Conceptos previos

3.1.2.Descripción del ensayo de tracción. 3.1.3.Análisis del diagrama de tracción.

3.1.4.Aplicación práctica del ensayo de tracción.

3.2. Ensayos de dureza.

3.2.1. Ensayos de dureza al rayado.

3.2.2.Ensayos de dureza a la penetración. 3.2.2.1.Ensayo Brinell.

3.2.2.2.Ensayo Vickers. 3.2.2.3.Ensayo Rockwell.

3.3Ensayo dinámico por choque o ensayo de resiliencia. 3.3.1.Ensayo de flexión por choque o ensayo Charpy. 3.4.Ensayo de fatiga

3.5.Ensayo de termofluencia 4.PROPIEDADES ELÉCTRICAS

4.1.Propiedades eléctricas propiamente dichas. 4.2.Propiedades dieléctricas. 4.3.Propiedades electromecánicas. 4.4.Propiedades electrotérmicas. 5.PROPIEDEDADES MAGNÉTICAS. 5.1.Ensayos magnéticos. 6.PROPIEDADES TÉRMICAS. 7. PROPIEDADES QUÍMICAS. 7.1. Oxidación 7.2. Corrosión. 8.OTROS ENSAYOS 8.1.Ensayos tecnológicos.

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1.INTRODUCCIÓN.

Con un poco de experiencia, al observar una determinada pieza de un material con detenimiento, es posible conocer de que material está fabricada y en algunas ocasiones, determinar el proceso seguido para obtener dicha pieza.

Sin embargo, esta simple observación, resulta insuficiente si queremos conocer las características técnicas del material y mucho menos, si se pretende elegir el material más adecuado para una aplicación concreta. Por tanto, se hace necesario desarrollar un a serie de técnicas y procedimientos que nos permitan evaluar cualitativa y/o cuantitativamente las propiedades de dicho material, con el fin de asegurarnos de estar escogiendo el más idóneo en cada caso.

En este tema se va a hacer un estudio general de todas estas técnicas de medida y ensayo de propiedades de materiales. Para ello, partiremos de una primera y esquemática clasificación tanto de las propiedades como de los diferentes tipos de ensayos, para pasar luego a un estudio detallado de los mismos.

2.CLASIFICACIÓN DE PROPIEDADES Y ENSAYOS.

2.1.Clasificación de propiedades de los materiales.

Por propiedades de los materiales se entiende todas aquella características que estos poseen y que pueden manifestarse espontáneamente, porque son propias del

material(peso, volumen, estado cristalino...etc)o bien pueden ponerse de manifiesto como respuesta a agentes externos(fuerzas, por ejemplo).En el primer caso se hablará de propiedades intrínsecas del material y en el segundo de propiedades extrínsecas. A su vez estas pueden depender exclusivamente de la naturaleza del material (conductividad térmica) o de esta unida a la acción de un agente externo (corrosión, resistencia a la tracción, a la fatiga....etc).

Vamos a clasificar las propiedades de los materiales en tres grandes grupos: a)Propiedades organolépticas: como pueden ser el color, tamaño, forma, aspecto. Carecen de interés desde el punto de vista técnico.

b)Propiedades físicas: son aquellas relacionadas con la actuación de los agentes físicos y dentro de las cuales distinguiremos propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y

térmicas, y sobre todo, las propiedades mecánicas que ocuparán la mayor parte del estudio de este tema puesto que son las más importantes desde el punto de vista técnico(Resistencia de materiales)

c)Propiedades químicas: dependen fundamentalmente de la composición química del material y dentro de ellas, por su importancia desde el punto de vista técnico destacan los fenómenos de oxidación y corrosión

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2.2.Clasificación de los ensayos

De todas las propiedades citadas, en cada material, predominan unas sobre otras. Para poder conocer cuáles son las propiedades dominantes en un material se les somete a pruebas en las que se simulan las condiciones a las que van a estar sometidos dichos materiales cuando se pongan en servicio(cuando sean utilizados en una aplicación

concreta).Estas pruebas se denominan ensayos y pueden clasificarse en función de varios criterios:

a) Según la rigurosidad con la que se lleven a cabo, podemos distinguir:

-Ensayos tecnológicos o técnicos de control : se realizan durante el proceso productivo, para comprobar si las propiedades del material son adecuadas para una aplicación concreta. Son rápidos y simples .Ej: prueba de flexión en los alambres.

-Ensayos científicos: se realizan para conocer propiedades de nuevos materiales. Son muy precisos y no exigen rapidez.

b) Según la forma de realizar el ensayo:

-Ensayos destructivos: en ellos los materiales ven alterados su forma y presentación inicial.

Ej: determinación de los puntos de fusión, ebullición, ensayos de dureza …etc.

-Ensayos no destructivos: los materiales no ven alterados ni su forma ni su presentación inicial.

c) Atendiendo a los métodos empleados a la hora de realizar el ensayo, podemos agruparlos en:

-Ensayos químicos: permiten conocer la composición, tanto cualitativa como

cuantitativa, del material, la naturaleza del enlace y el comportamiento del material frente a los agentes químicos.

-Ensayos metalográficos: consisten en analizar la estructura interna del material mediante el microscopio metalográfico.

-Ensayos físicos y físico-químicos. Mediante ellos es posible conocer las propiedades físicas(densidad, punto de fusión, calor específico ,conductividad térmica y eléctrica-..etc)y las imperfecciones tanto internas como externas del metal .

-Ensayos mecánicos. Su objetivo es determinar las características elásticas y de

resistencia de los materiales sometidos a esfuerzos o deformaciones similares a las que presentan en la realidad. Dentro de ellos destacan los ensayos estáticos de tracción, compresión, torsión , dureza...etc; ensayos dinámicos o de choque; ensayos de fatiga..etc. Las tres clasificaciones no son excluyentes y un mismo ensayo puede incluirse en grupos diferentes .Así por ejemplo, un ensayo puede ser destructivo, científico y mecánico de tracción la vez, dependiendo del criterio en el que nos basemos.

Por su importancia desde el punto de vista industrial nos centraremos en los ensayos de

tipo mecánico fundamentalmente, y por ello, pasamos a describir propiedades y sus

ensayos más importantes, haciendo hincapié especialmente en el apartado de las propiedades mecánicas y tratando más superficialmente el resto.

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3.PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES Y SUS ENSAYOS.

Las propiedades mecánicas de los materiales son aquellas que están relacionadas con el comportamiento del material frente a la acción de fuerzas que actúen sobre él ,de forma que estas propiedades condicionan la forma en que pueden ser trabajados(mecanizados) estos materiales y cuáles pueden ser sus aplicaciones. Son, desde el punto de vista técnico, las más importantes. De todas ellas, tres podemos considerar fundamentales: --Elasticidad: es la capacidad que tienen los materiales elásticos de recuperar su forma primitiva y recuperar su forma inicial cuando cesa la fuerza(carga) que los deforma. Si se rebasa el límite elástico, la deformación que se produce es permanente.

-Plasticidad: es la capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura. Cuando estas deformaciones se presentan en láminas, se denomina maleabilidad, y si se presenta en hilos, se denomina ductilidad.

-Cohesión: es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse y depende del enlace de los átomos. Los átomos de los metales se pueden separar ligeramente, de ahí su

elasticidad.

Las dos primeras, se valoran a través de los ensayos de tracción; la cohesión se valora a través de los ensayos de dureza.

Otras propiedades importantes desde el punto de vista técnico son la tenacidad,

resiliencia,y resistencia a la fatiga cuya definición y ensayos propios veremos más

adelante

3.1.Ensayo de tracción

. (UNE-7474). 3.1.1.Conceptos previos.

-Cargas. En el estudio de materiales, se denomina cargas a las fuerzas aplicadas sobre el material.

-Deformación elástica. Es la que experimenta un material cuando, al aplicarse sobre él una tensión(fuerza en cada unidad de superficie), el material se deforma , volviendo a recuperar su forma y dimensiones iniciales cuando cesa la acción de la fuerza que lo deformó.

Desde el punto de vista de la estructura interna, al aplicar la tensión ,los átomos se desplazan de sus posiciones iniciales y vuelven a ella cuando la fuerza deja de ejercerse. -Deformación plástica. En este caso, al aplicar una tensión sobre el material, este se deforma hasta tal punto, que cuando la fuerza(tensión) deja de ejercerse, el material no recupera por completo su forma y dimensiones iniciales.

3.1.2.Descripción del ensayo de tracción : dispositivos utilizados para llevarlo a cabo y variables características

El ensayo de tracción(uno de los más importantes para determinar las propiedades mecánicas de un material), consiste en someter una pieza de forma cilíndrica o prismática de dimensiones normalizadas - que se conoce con el nombre de probeta- a una fuerza de tracción en la dirección de su eje longitudinal. La fuerza aplicada va creciendo con el tiempo de forma lenta y continua , provocando el alargamiento progresivo de la pieza y al final, su rotura(fin del ensayo).

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Figura 1 Figura 2

En lo que respecta a las probetas empleadas para realizar el ensayo de tracción, su preparación y dimensiones están normalizadas(UNE 7282, 7262-73 Y 7010).Se utilizan fundamentalmente probetas de sección( transversal )circular o rectangular, que poseen una parte central mecanizada y unos extremos más anchos llamados cabezas, por donde la probeta va sujetarse en la máquina de tracción para someterse al ensayo.(ver figura 2) Las máquinas utilizadas para llevar a cabo un ensayo de tracción constan

fundamentalmente de dos dispositivos :

-Un dispositivo neumático( fundamentalmente) que produce las tensiones sobre la probeta. Consta de una mordaza fija y otra móvil , entre las cuales se va a sujetar la probeta

-Un dispositivo electrónico) que mide las cargas y los alargamientos producidos en la probeta. La máquina debe garantizar que las cargas de tracción se ejerzan de forma creciente y progresiva y en la dirección del eje de la probeta. Por ello la velocidad de aplicación debe ser regulable.

Máquina para ensayos de tracción

*Variables características del ensayo de tracción

Como hemos dicho, durante el ensayo de tracción se mide el alargamiento (L=L-Lo), que experimenta la probeta al estar sometida a una fuerza de tracción. De esta forma, se puede obtener una gráfica en la que se represente fuerza ejercida frente a alargamiento producido:

Sin embargo, para que el ensayo dependa lo menos posible de las dimensiones de la probeta, se definen como magnitudes básicas para el ensayo de tracción las siguientes:

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-Tensión(fuerza (carga) aplicada a la probeta en cada unidad de superficie. Matemáticamente:

F/A0 Donde: F= fuerza de tracción (en N ) ejercida sobre la

probeta

A0=sección de la probeta en m2

Las unidades de la tensión en el SI son, por tanto, N/m2=Pa (pascal).En muchas ocasiones se suele emplear el kp para la fuerza y el mm2, por lo que la tensión vendría dada en kp/ mm2.

-Deformación o alargamiento unitario(:es el cociente entre el alargamiento

experimentado por la probeta( tras aplicarle una determinada tensión ) y la longitud inicial de la probeta: Lo= longitud (mm) inicial de la probeta

=L-L0 / L0= L/ L0 L= longitud(mm) de la probeta tras aplicarle la tensión. L= incremento de longitud de la probeta.

La deformación es una magnitud adimensional, que también pude expresarse en %

= L .100

/

L0

3.1.3.Análisis del diagrama de tracción.

Si tras realizar el ensayo de tracción, representamos gráficamente las tensiones

aplicadas(en ordenadas), frente a los alargamientos producidos (en abcisas), obtenemos el diagrama tensión-deformación para dicho ensayo.(este diagrama desde el punto de vista práctico, lo traza el dispositivo electrónico de la máquina de tracción ), que presenta de la siguiente forma:

Estudio del diagrama de tracción.

En el diagrama se distinguen dos zonas fundamentales o principales:

-Zona elástica(OE).Se caracteriza porque al cesar las tensiones aplicadas, el material

recupera su longitud inicial. Dicho de otra forma, si en cualquier punto entre O y E se interrumpe el ensayo(cesa la tensión), la probeta recuperará su longitud inicial.(Lo) -Zona plástica(ES).En ese tramo, las deformaciones son permanentes y aunque la tensión cese, la probeta ya no recupera su longitud inicial, es decir, us longitud va a ser mayor que Lo.

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*Por otro lado, dentro de la Zona elástica(OE), tenemos:

-Zona proporcional(OP).Se trata , como podemos observar, de una recta, y por tanto en

este tramo, las tensiones aplicadas y los alargamientos producidos son proporcionales entre si. Matemáticamente:

cte.

ásicamente este hecho, es la aplicación de la Ley de Hooke al caso concreto de la tracción Según esta ley, para todos los materiales elásticos, tensiones aplicadas y alargamientos producidos son magnitudes proporcionales

De acuerdo con esto y teniendo en cuenta la expresión anterior, la constante de

proporcionalidad(que matemática mente es la pendiente de la recta que observamos en la gráfica o lo que es lo mismo, la tangente del ángulo  ), se denomina módulo elástico o

módulo de Young y se representa por la letra E



Por tanto,cte.podrá escribirse: E. 

De aquí :

E=cte=tgMódulo elástico o módulo de Young, que gráficamente

corresponde a la pendiente de la recta o lo que es lo mismo, a la tangente del ángulo  Si se tienen en cuenta las expresiones de  y se tiene que E se puede expresar como:

L So Lo F E   . .

Por otra parte, el alargamiento de la probeta en la dirección del esfuerzo, provoca una contracción unitaria en las otras dos direcciones, de forma que se cumple.

Lo L do d   .  de donde do L Lo d . .   

 ,se denomina coeficiente de

Poisson y suele llevar signo negativo(en sentido físico, pues indica contracción unitaria) El punto P(ver gráfica),al que corresponde el valor de tensión p se denomina límite de proporcionalidad(muy difícil de determinar). Hasta ese valor de tensión, las tensiones aplicadas y las alargamientos producidos son proporcionales; por encima de él, la proporcionalidad desaparece.

Los materiales deben trabajarse siempre dentro de esta zona proporcional, para garantizar total seguridad en sus aplicaciones.

-Zona no proporcional(PE).

En esta zona, el material sigue siendo elástico ,pero las tensiones aplicadas y los

alargamientos no son proporcionales( no se cumple la ley de Hooke, la gráfica no es una recta con origen en O)Esta zona no es aconsejable para trabajar los materiales , ya que es muy difícil controlar la relación tensión-deformación.

El puntoE(gráfica), al que corresponde el valor de tensión E se denomina límite elástico(muy difícil de determinar). Por encima de ese valor de tensión, el material deja

de ser elástico y adquiere deformación permanente.(se pasa de la zona elástica a la zona plástica)

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*Dentro de la Zona Plástica (ES), se distinguen: Zona de límite de rotura(ER).

Como hemos dicho, por encima de E, las deformaciones son ya permanentes .En este zona, para variaciones muy pequeñas de tensión, se producen grandes alargamientos. Dentro de ella, se observa que existe una zona , una vez que se supera el límite elástico, en la que se produce un alargamiento muy rápido con altibajos en los valores de tensión. Esta zona (ver diagrama), se denomina zona de fluencia, puesto que el material fluye (se deforma plásticamente más rápido de lo habitual).El punto donde comienza este

fenómeno(punto F) se denomina límite de fluencia, al que le corresponde una F(tensión de fluencia).

El punto R, al que corresponde el valor de tensión R, se denomina límite o tensión de rotura o resistencia a la tracción y es la máxima tensión que soporta el material. Por

encima de este valor de tensión, el material se considera roto(aunque la probeta no está “rota” a simple vista)

-Zona de rotura(RS).

A partir del punto R( punto en el que se alcanza la máxima tensión o tensión de rotura R)para cualquier valor de tensión,(incluso más bajos que R), el material sigue

alargándose progresivamente, hasta que se produce la ruptura física de la probeta (punto

S de la gráfica)

3.1.4.Aplicación práctica del ensayo de tracción:tensión máxima de trabajo.

Hemos dicho anteriormente, que de acuerdo con el diagrama tensión –deformación, La zona óptima para trabajar con los materiales corresponde a los valores de tensión de la zona elástica proporcional.Por lo tanto, cuando se diseña una pieza, elemento ,

estructura..etc..es necesario conocer todas las fuerzas que actúan sobre ella, para que el diseño asegure las tensiones que va a soportar dicha pieza, corresponden a la zona de deformación elástica.

Sin embargo, es imposible conocer todas las tensiones que van a ejercerse sobre una pieza .Pensemos, por ejemplo, en un tirante de un puente: a parte de soportar

parte del peso del puente y de los automóviles y personas que circulan sobre él, en ocasiones se verá sometido a la fuerza del viento, peso de nieve en invierno

etc....entonces¿cómo se puede asegurar que el material del tirante del puente esté siempre dentro de los valores de la zona elástica?.

Para ello lo que se hace es a la vista del diagrama de tracción

-Elegirla tensión de fluencia y dividirla por un número denominado coeficiente de

seguridad(n):

t=f /n t= tensión máxima de trabajo

- Elegir la tensión de rotura y dividirla por un coeficiente diferente, de tal manera que la tensión de trabajo resultante va ser también un valor por debajo del límite elástico

t=r /n1t= tensión máxima de trabajo

Como n , es siempre mayor que 1,nos aseguramos así que se va a trabajar en la zona elástica. (la tensión de trabajo estará por debajo del límite elástico.)

El que se utilice uno u otro método depende de la normativa de cada país y de la utilización final de la pieza o estructura.

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3.2. Ensayos de dureza.

Por dureza se suele entender la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por una pieza de otro material diferente. Depende, sobre todo, de la estructura interna del material (cohesión)y posee una gran importancia práctica, ya que la dureza de un material determina en gran medida el comportamiento del mismo frente a la abrasión o desgaste y la facilidad con que puede ser sometido a mecanizado.

Por otra parte ,se debe tener en cuenta que las medidas de dureza van a ser siempre relativas y es necesario hacer referencia al método de medida utilizado. De acuerdo con esto, se pueden distinguir dos tipos distintos de ensayos de dureza:

-Ensayos de dureza al rayado. -Ensayos de dureza a la penetración .

3.2.1. Ensayos de dureza al rayado. Entre estos destacan:

a)Escala de Mohs.

Es el método más antiguo para medir la dureza (aún se utiliza en Mineralogía) y en él se asigna al material un valor de dureza, comparándolo una escala formada por diez minerales a los cuales se toma como patrón y que se numeran del 1 al 10 en orden creciente, formando la llamada escala de

Mohs(1.Talco,2.Yeso,3.Calcita.4.Fluorita,5.Apatito,6.Feldespato,7.Curazo,8.Topacio,9.C orindón,10.Diamante)

Según esta escala, un materiales rayado por los que tiene un número superior y raya al os que tiene un número inferior. Ejemplo: un material que sea rayado por el topacio y que a su vez raye al cuarzo, tendrá una dureza comprendida entre 7 y 8.

Inconveniente: es un método bastante impreciso y no sirve para determinar la dureza delos metales.

b)Dureza Martens.

En el ensayo Martens, se empela un cono de diamante con el que se raya(aplicando una fuerza constante ) la superficie del material cuya dureza se quiere medir. A continuación se mide la anchura de la raya producida , que será tanto más pequeña cuanto más duro sea el material.

Inconveniente: es un método bastante impreciso .

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3.2.2.Ensayos de dureza a la penetración.

Son los más importantes y los que se aplican a gran escala en los procesos industriales.

Todos los ensayos de penetración se basan en medir la resistencia que ofrece un material a ser penetrado por una pieza de material diferente, llamada penetrador, el cual se empuja contra la superficie del material cuya dureza se quiere medir con una fuerza

controlada(velocidad de aplicación lenta), durante un tiempo fijo. Luego se mide, o bien la profundidad de la huella dejada por el penetrador o bien su diámetro.

El valor de la dureza se obtiene como cociente entre la fuerza aplicada al penetrador y la la superficie de la huella que este deja(para una misma fuerza, será tanto más pequeña cuanto mayor sea la dureza del material).

Lo dicho anteriormente, es el fundamento de los tres tipos de ensayos de penetración utiliza-dos que son los ensayos Brinell, Vickers y Rockwell, en cada uno de los cuales se utilizan distintos tipos de penetradores.

3.2.2.1.Ensayo Brinell(UNE-7-422-85).

*Características del ensayo

-Se utiliza como penetrador una bola de acero templado de gran dureza .

-Diámetro del penetrador(D):entre 1-10mm .Se elige en función del espesor de la pieza

sobre la que se va ensayar para evitar que la deformación plástica(huella) provocada por la bola no se extienda toda la pieza.(ver tabla 1)

1 2

-Cargas que se aplican al penetrador: entre 125-300kp .Para que las huellas obtenidas con bolas de diferente diámetro sean semejantes y las durezas comparables, las cargas deben ser proporcionales a al diámetro de la bola según la expresión: F=K(cte)xD2(ver

tabla 2)

-Tiempo de aplicación de la carga: lo normal es que sean 15 segundos, aunque se puede

llegar hasta 30 segundos en materiales muy blandos.

-En el ensayo se va a medir con el microscopio el diámetro(d) de la huella dejada por la bola(penetrador).Para que la huella obtenida sea lo más perfecta posible(nítida y de contorno delimitado) y se minimicen los errores en la medida , se debe cumplir que:

0.25D<d<0.5D

*Cálculo de la dureza Brinell.(HB)

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Como ya hemos mencionado, la dureza va ser el cociente entre la carga aplicada y la

superficie de la huella :

HB=F/S HB= dureza en grados Brinell(kp/mm2) F= fuerza aplicada(kp) S= área de la huella . Por otra parte S= .D. f D= diámetro de la bola(mm) f = profundidad de la huella(mm).

Teniendo lo anterior en cuenta y a la vista de la figura1 se demuestra que S=(.D/2).(D-D2-d2) y que por tanto:

2 2 .DD D d F HB    

La forma correcta de expresar la dureza Brinell es la que se muestra en la figura siguiente:

* Inconvenientes del Ensayo Brinell:

-Sólo se aplica a materiales de dureza no muy alta(de dureza inferior al material de la bola)y con espesores no muy pequeños.

-No se puede realizar sobre superficies esféricas o cilíndricas.

-Como la carga depende del diámetro de la bola, al variar la carga es preciso cambiar la bola(penetrador).

3.2.2.2Ensayo Vickers.(UNE 7-423-84). *Características del ensayo

-Se utiliza como penetrador un diamante tallado en forma de pirámide cuadrada con base un ángulo de 136º.Este valor asegura que las durezas Brinell y Vickers , para un mismo material y en las mismas condiciones, coincidan (Sólo coinciden hasta los 300kp, pues partir de ahí, la bola Brinell se deforma y se cometen errores en las medidas).

-Las cargas que se emplean varían entre 1-120 kp, aunque lo normal es utilizar 30kp. -Los resultados en la medida del diámetro de la huella(d), son siempre comparables puesto que la forma dela huella es siempre la misma

-Para evitar deformaciones debe cumplirse que el espesor de la pieza (s) y el diámetro de la huella(d) guarden la relación: s<1.2d

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11 *Cálculo de la dureza Vickers.(HV).

Las figuras siguientes muestran el esquema gráfico del ensayo Vickers:

La expresión general es la que ya conocemos:

HV=F/S HV=dureza en grados Vickers(kp/mm2) F=fuerza aplicada(kp) S=área de la huella

Se demuestra matemáticamente) que la superficie de la huella para el ensayo Vickers vale:

S=d2/1.8543

De donde nos queda que la dureza Vickers, HV=1.8543F/ d2 La forma correcta de expresar un resultado de dureza Vickers es:

.

.Ventajas del ensayo Vickers frente al Brinell: -Se puede aplicar a materiales muy duros -Se puede utilizar en superficies curvas.

-No es necesario cambiar el penetrador al variar la carga 3.2.2.3.Ensayo Rockwell(UNE-7-424-89).

*Características del ensayo.

-Es el más utilizado por su rapidez de medida y el pequeño tamaño de las huellas que ocasiona; sin embargo su exactitud es menor que la de los dos ensayos anteriores. -En este ensayo se mide la profundidad de la huella (en los otros dos ensayos es el diámetro de la huella lo que se mide)

-Se utilizan dos tipos de penetrador según el material que se vaya a ensayar:

*Para materiales blandos(entre 60 y150 HV) se utiliza un penetrador de acero esférico de D=1.59 mm y se obtiene con él la escala de dureza Rockwell B(HRB)

*Para Materiales duros(entre 235 y 1075 HV) se emplea un cono de diamante ( ángulo de 120º entre sus caras) y se obtiene con ello la escala de dureza Rockwell C.

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Para los dos casos anteriores el ensayo Rockwell consta de los siguientes

1. En los dos casos, se aplica inicialmente una precarga inicial de 10 kp, con lo que el penetrador originará una huella de profundidad h1

2.A continuación se aplica al penetrador el resto de la carga(90kp en el caso de la escala HRB y 140 en el caso de la escala HRC ),produciéndose una huella de profundidad h2. 3.Transcurridos unos segundos, se reduce la carga hasta el valor de la precarga. La profundidad de la huella, h3 será mayor que h1, pues en el material se han producido deformaciones plásticas, de tal manera que al volver a la situación inicial, el material no recupera su dimensión inicial( por eso h3 > h1).La máquina del ensayo Rockwell mide la diferencia(e) entre h3 y h1 : e= h3 - h1

Para hacer que a los materiales más duros les corresponda una dureza Rockwell mayor, se expresa la dureza para las dos escalas como:

-Dureza Rockwell HRB: 130-e -Dureza Rockwell HRC:100-e

e(valor dado en mm) se convierte en unidad de dureza teniendo en cuenta que una unidad Rockwell vale 0,002mm.(ejemplo si e= h3 - h1=0.150mm, se tendrá 0.150/0.002= 75 )

3.3Ensayo dinámico por choque(ensayo de resistencia al impacto o ensayo

de resiliencia)

Es fundamental para conocer la resistencia al choque o impacto de los materiales, o lo que es lo mismo, conocer su tenacidad.

La tenacidad (propiedad inversa de la fragilidad), se define como la capacidad que tiene un material de soportar esfuerzos lentos de deformación (plástica) antes de romperse. Así

un material tenaz, es aquel capaz de absorber mucha energía(=aguanta muchos choques o impactos), deformándose lenta y plásticamente antes de llegar a la

rotura.(Para un mismo valor de energía absorbida en varios materiales, el material más tenaz será el que menos se deforme).

Por el contrario los materiales frágiles, poco tenaces casi no experimentan deformación alguna ya que , con poca energía que absorban(pocos impactos), se rompen casi

instantáneamente.

En los ensayos de resistencia al impacto, lo que se mide precisamente es la energía

absorbida por el material antes de romperse ,que se denomina resiliencia. A mayor número de impactos soportados, mayor resiliencia y por tanto, mayor tenacidad. El ensayo de resistencia al impacto más utilizado es el de flexión por choque o ensayo

Charpy.

3.3.1.Ensayo de flexión por choque o ensayo Charpy.(UNE 7-475-92 Características..

-Se utilizan probetas normalizadas (ver figura) de sección cuadrada , en cuyo punto medio se ha realizado una entenalla en forma de U o V.

-El ensayo consiste en golpear la probeta por el lado opuesto a la entenalla con un péndulo que se deja caer libremente desde cierta altura(ver figura).En este ensayo la probeta debe romperse para asegurar una correcta medida de la resiliencia

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.

-El valor de la resiliencia o KCV(siglas inglesas del ensayo)se obtiene como: CV= Ep /A0 j/ cm2

Ep ( a veces aparece comoW) = diferencia de energía potencial entre la posición inicial y final de la bola del péndulo (Julios)

A0= superficie de la probeta en la zona de entenalla(cm2)

3.4. Ensayo de fatiga.

Sabemos que la tensión de rotura es el valor de tensión por encima del cual , el material va a quedar efectivamente roto(físicamente roto).Teniendo esto en cuenta, también es posible que el material se rompa cuando se ejercen sobre él ,de forma repetitiva, tensiones inferiores a la de rotura. Se define así fatiga como la aplicación sobre un material de tensiones inferiores a la de rotura de forma repetitiva y durante un cierto tiempo(ciclo).A consecuencia de ello, el material puede llegar romperse

En el fenómeno de fatiga se tienen en cuenta dos leyes fundamentales

-Las piezas metálicas pueden romperse bajo tensiones inferiores a la de rotura, e incluso a tensiones inferiores a las de su límite elástico, si el esfuerzo se repite un número

suficiente de veces.

-Para que la rotura no tenga lugar, independientemente del número de ciclos(=nº veces que se aplica la tensión en un tiempo determinado), la diferencia entre la tensión máxima y la tensión mínima debe ser menor que el valor de la tensión para la cual aparece el fenómeno de fatiga. Esta última, recibe el nombre de límite de fatiga.

El ensayo más utilizado para medir la fatiga es el ensayo de flexión rotativa(ver figura).

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3.5.Ensayo de termofluencia

.

Termofluencia es la deformación de un material cuando interviene la temperatura con respecto al tiempo cuando ha sido sometido a una carga o tensión constante. Su

conocimiento es muy importante sobre todo en metales que forman parte de estructuras o dispositivos que deben funcionar a altas temperaturas.

Para conocer la curva de termofluencia se somete un metal policristalino a una

temperatura superior a la mitad de su punto de fusión de forma constante, a la vez que se le aplica también una carga de valor también constante e inferior a la de rotura para el material que se trate.

La curva típica del ensayo de termofluencia para un metal en las condiciones citadas, adopta la forma:

Observamos que:

Inicialmente ocurre una deformación elástica instantánea 0. Seguidamente la muestra exhibe una primera fluencia en la cual la velocidad de fluencia disminuye con el tiempo. La pendiente de la curva (d/dt = e ) se designa como velocidad de termofluencia. Después ocurre un segundo estado el cual la velocidad se hace constante y se define por tanto como termofluencia de estado estacionario. Esta es la zona óptima de utilización del material Finalmente ocurre un tercer estado en el cual la velocidad de termofluencia aumenta rápidamente con el tiempo hasta que se fractura.

Los efectos de la termofluencia y velocidades de deformación se determina por el ensayo

de termofluencia, qué básicamente consiste en someter una probeta del metal a estudiar,

a temperaturas diferentes, mientras el esfuerzo permanece constante y

viceversa(esfuerzos variables a temperatura constante).Lo que se pretende conseguir es el valor de la velocidad de deformación mínima .y el del tiempo de rotura(parámetro cuyo valor es inversamente proporcional a los valores de temperatura y esfuerzos). Tras este estudio pormenorizado de los ensayos mecánicos más importantes desde el punto de vista técnicos pasamos a continuación a recoger otras propiedades de interés , para terminar dando una breve reseña de otros ensayos que se llevan a cabo a menudo a nivel industrial pero que a diferencia de los que hemos estudiado, se llevan acabo sobre modelos de pieza ya mecanizadas y acabadas(ensayos tecnológico y ensayos de control de control de defectos)

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4.PROPIEDADES ELÉCTRICAS.

Están relacionadas, como sabemos ,con la presencia de cargas eléctricas en los materiales, con el movimiento de las mismas y con el comportamiento del material al paso de la corriente eléctrica a su través.

De un modo general, podemos clasificar las propiedades eléctricas de los materiales en cuatro grupos: propiedades eléctricas propiamente dichas, dieléctricas, electromecánicas y electrotérmicas.

4.1.Propiedades eléctricas propiamente dichas.

4.1.1.Resistencia, resistividad y conductividad: la resistencia eléctrica se define como

la oposición que presenta un cuerpo la paso de la corriente eléctrica, cuando se le somete a una diferencia de potencia. Según la ley de Ohm:

I V R (

La resistividad eléctrica( mide(m) en la capacidad del material para afectar al flujo de electrones a través de él y varía de forma directamente proporcional a la resistencia y la longitud del material e inversa con su sección de acuerdo con la expresión:

A l

R . (m)

La conductividad()se define como la magnitud inversa de la resistividad y nos da idea de la “bondad” del material para conducir la corriente eléctrica.(m)-1.

La medida del valor de la resistencia eléctrica de un material se obtiene indirectamente conocidos los valores de tensión e intensidad con voltímetros y amperímetros o directamente, utlizando los modernos polímetros digitales en los cuales debe ajustarse el selector de escala de medida del ohmímetro en la posición adecuada hasta que aparezca lectura en la pantalla del aparato.(la escala adecuada es la inmediatamente superior al valor de resistencia medido y asi por ejemplo para 1,5K debemos colocar el selector en 2 K)

4.2.Propiedades dieléctricas.

a)Resistencia dieléctrica: relacionada con la aparición de dipolos (dos cargas de signo opuesto e igual magnitud cercanas entre sí.) en un material y con la orientación de los mismos.

El ensayo para determinarla, consiste en colocar dos electrodos a cada lado de una placa del material dieléctrico(aislante) y aumentar gradualmente el voltaje hasta que se produzca la ruptura dieléctrica (se quema la separación de los electrodos).

b)Resistencia de arco: es una medida de la ruptura de la superficie de un aislante producida por un arco eléctrico. Existen varios ensayos de resistencia al arco, el más comunes el ensayo ASTMD 495-61 de alto voltaje y baja corriente sobre una superficie mínima.

4.3.Propiedades electromecánicas

Están relacionadas con la aparición de cargas en los materiales cuando sobre ellos se ejerce presión.( efecto piezoeléctrico).Una variante es el denominado efecto ferroeléctrico que aparece en determinados materiales(metálicos básicamente) y en los que el almacenamiento de carga es mayor.

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Si se produce una diferencia de temperatura en una varilla de metal, los niveles de energía, los niveles de energía de los electrones, serán distintos. Los electrones de la zona de mayor temperatura fluirán hacia la zona más fría produciendo así una diferencia de carga entre ambas zonas..Si se conecta un voltímetro con alambres de contacto del mismo material el medidor no Mostar señala alguna, pero si los alambres son de un material distinto al de la varilla, habrá un voltaje inducido y aparecerá en el medidor. Este voltaje es el potencial Seebeck, utilizado en los termopares(para medidas de muy altas y bajas temperaturas).

5.PROPIEDADES MAGNÉTICAS.

Cuando un material se somete a la acción de un campo magnético de intensidad H, se produce en él una inducción de valor B (número de líneas magnéticas que lo cruzan), llamándose permeabilidad magnética a la relación de B con H.

H B

Por otra parte, la susceptibilidad magnética(Xm) es el factor de proporcionalidad entre la magnetización de un material(M, cantidad de dipolos magnéticos presentes en el material debidos a la acción del campo magnético exterior y la intensidad del campo magnético aplicado

H M Xm

Desde el punto de vista industrial, tiene especial relevancia el comportamiento

magnético de algunos materiales, hecho que viene determinado por la orientación de los espines electrónicos del material a favor o en contra del campo magnético exterior. En función de ello encontramos cinco tipos de materiales:

-Diamagnéticos: aquellos en los que el campo magnético exterior induce en el material un dipolo magnético de sentido contrario (siempre son repelidos independientemente del polo del imán). Desaparece el efecto cuando desaparece el campo.

-Paramagnéticos: Efecto contrario al diamagnetismo. Desaparece el efecto cuando

desaparece el campo.

-Ferromagnéticos: El dipolo magnético inducido en el material es a favor del campo

exterior y es permanente , aun en ausencia del campo exterior que los produjo.

-Antiferromagnéticos: en presencia de un campo magnético exterior, los dipolos de este tipo de materiales, se alinean ellos mismos en direcciones opuestas cancelándose los efectos

-Ferrimagnéticos:en ciertos materiales( ferritas por ejemplo) la acción del campo exterior ,provoca que los dipolos se orienten en direcciones opuestas, pero el momento magnético resultante no se anula ,puesto que son más fuertes los dipolos orientados a favor del campo que los que se orientan en contra del mismo.

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Se realizan por medio de aparatos cuya construcción se basa en las aplicaciones del campo magnético: distorsión de líneas de fuerza, efectos de atracción de campos magnéticos constantes y de inducción de campos alternos..etc

Destacan los ensayos magnetocóspicos , que se aplican exclusivamente a materiales ferromagnéticos y que se realizan para detectar defectos superficiales .Se llevan a cabo Depositando polvo de hierro muy fino sobre la superficie del material a ensayar de manera que se consigue así su imantación, siendo necesaria para ello un dispositivo con o sin circulación de corriente y también un elemento de detección(para medir las

variaciones de flujo que se producen cuando existen defectos superficiales) 6.PROPIEDADES TÉRMICAS.

El comportamiento de los materiales frente al calor y los efectos que sobre ellos tienen las variaciones de temperatura, son bastante importantes desde el punto de vista técnico. En este sentido, podemos decir que cuando un sólido(obviamente todos los materiales que tratamos lo son), se calienta, se ponen de manifiesto tres fenómenos que son la absorción y transmisión del calor y la expansión que el material puede experimentar por efecto del mismo. Con los dos primeros están relacionadas la capacidad calorífica y la

conductividad térmica; con el último la dilatación térmica.

La capacidad calorífica (Cp) es la energía necesaria para elevar en un grado kelvin la temperatura de un mol del material que se trate. Se mide en(cal/molºK)

La conductividad térmica o conductancia térmica. Es la capacidad que tiene un material para dejar pasar a través de suyo calor. Su inversa es la resistencia térmica que es la oposición que ofrece un material al paso de calor a través de él. La conductividad térmica se mide en(cal/cm2)/(cm/segºK).

Por último la dilatación térmica deformación que se produce en los materiales debido a la variación de la Tª (ΔTª) produciendo variaciones de tamaño Las deformaciones de este tipo son reversibles: cuando hace calor se dilatan y cuando hace frío se contraen. Dependiendo de la forma predominante del elemento constructivo se estudiará de las siguientes maneras: dilatación lineal (-variación de longitud),dilatación superficial ( variación de superficie) y dilatación cúbica(variación de volumen.)

7.PROPIEDADES QUÍMICAS.

De todas las que podríamos citar, dos tienen una importancia fundamental desde el punto de vista industrial :oxidación y corrosión. Ambas afectan de manera exclusiva a los metales, provocando grandes pérdidas económicas en algunos sectores concretos(siderurgia, por ejemplo), sino se ponen los medios adecuados. Ambos fenómenos son el resultado de reacciones en las que intervienen el oxígeno como agente oxidante, si bien hay diferencias entre ambas:

-La oxidación provocada por la acción del oxigeno(fundamentalmente el atmosférico) sobre el metal ,necesitando de una cierta temperatura para que ocurra.(con la ambiente suficiente).El resultado es la aparición sobre el metal de una capa de óxido que lo recubre, de color variable en función del metal y de espesor también variable en función de la intensidad del ataque del oxígeno..En algunos metales como el aluminio, la capa superficial de oxido actúa como protección impidiendo que la oxidación progrese; en

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otros como el hierro, la capa de óxido formada puede romperse permitiendo un ataque prolongado del oxígeno, de forma que la oxidación avanza hacia el interior de la pieza. -La corrosión es un deterioro lento y progresivo de un metal provocado ,bien por la acción conjunta del oxígeno atmosférico y la humedad, bien por agentes químicos, como ácidos y bases(corrosión química)Se trata por tanto, de una oxidación extrema y agresiva, cuyo resultado final es la destrucción del material

De los dos fenómenos, es la corrosión la que, por su carácter destructivo provoca las mayores pérdidas en la industria. Por tanto se hace necesario realizar pruebas o ensayos previos, encaminados a minimizar este hecho. Prácticamente todos los ensayos realizados sobre este aspecto se basan en la reproducción de las condiciones en las que se va a trabajar(tipo de instalación, producto con el que se trabaja, tiempos de trabajo..etc),modificando algunas de ellas para encontrar la forma de minimizar la corrosión.

Podemos citar en este caso:

-Ensayos de selección de material: pruebas con distintos materiales para ver si resisten la corrosión en las condiciones de trabajo.(ejemplo: ensayo con diferentes polímeros para fabricar las conducciones en un planta de producción ácido clorhídrico).

-Ensayo sobre diseño :pruebas con diferentes diseños en recipientes, conducciones, uniones etc ...(ejemplo : los ensayos demuestran que es conveniente utilizar soldadura en lugar de uniones )

-Ensayos sobre condiciones de trabajo: pruebas a diferentes temperaturas ,a diferentes velocidades de transporte de líquidos, pruebas con sustancias inhibidoras...para ver como estos cambios influyen en la corrosión.(ejemplo: las pruebas permiten establecer el rango de temperatura adecuado para minimizar corrosión sin afectar producción).

-Ensayos para elegir método de recubrimiento adecuado: permiten establecer que tipo de recubrimiento, si de tipo metálico(fundido o vía electrolítica), de tipo orgánico(pinturas, pigmentos) o inorgánicos(vidrio),es el adecuado para evitar o reducir en lo posible, los efectos de la corrosión.

8. OTROS ENSAYOS: ENSAYOS TECNOLÓGICOS Y ENSAYOS DE CONTROL DE DEFECTOS.

Como apuntábamos anteriormente, existen una serie de pruebas de cierto interés en la industria , en los que a diferencia de la mayoría de ensayos que hemos visto ,las pruebas No se realizan sobre muestras o probetas, sino sobre las piezas ya terminadas, para estudiar su comportamiento en determinadas situaciones relacionadas con el uso que van a tener o bien para tratar de encontrar defectos en la pieza.En el esquema siguiente recogemos las más utilizadas y algunos detalles sobre las mismas.

8.1.Ensayos tecnológicos.

Su objetivo es comprobar el comportamiento del material en la aplicación a que va a destinarse. En ellos no se obtiene valor numérico de una propiedad como ocurría en los ensayos de tracción, dureza ,..etc. Destacan en este grupo:

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Ensayo de flexión y plegado en barras: Tiene como objetivo comprobar plasticidad del

material y básicamente consiste en doblar la barra del materia que tratemos hasta que aparezcan en ella fisuras.

Ensayo de embutición en chapas: consiste en presionar un vástago metálico sobre

material hasta que se produzcan fisuras en él. Con ello se pretende tener idea del grado de embutición(esto es, hasta que profundidad se pueden introducir cuerpos en el material sin que se produzcan grietas)

Ensayo de ensanchamiento o abocardado en tubos: su objetivo es observar la resistencia

al ensanchamiento de un tubo cuando se introduce en el una pieza, que para este ensayo es un cono engrasado. El ensayo finaliza cuando se observan las primeras fisuras en el tubo.

Ensayo de flexión rotativa en alambres: consiste en doblar el alambre alternativamente

en ambos sentidos, hasta su rotura para comprobar la resistencia del mismo a la flexión 8.2 Ensayos de control de defectos.

Se aplican una vez que el producto está completamente terminado y su objetivo es

garantizar la ausencia de defectos. Estos son, sobre todo, discontinuidades en la estructura del material: poros, grietas, fisuras...etc

Son los únicos ensayos no destructivos que hemos visto se diferencian en el método que utilizan para localizar el defecto. De acuerdo con esto, distinguimos:

-Ensayos con líquidos penetrantes

consisten en sumergir las piezas a ensayar en un baño de algún líquido impregnante (petróleo, colorantes, líquidos radiactivos, etc.), durante un tiempo que oscila entre 30 minutos y 2 horas, con lo que el líquido penetrará en las grietas.

A continuación se lava la pieza y después se limpia, con lo que se elimina el líquido de la superficie de la pieza pero no el que se introdujo en las grietas.

Por último, se intenta que ese líquido que quedó incrustado en las grietas aflore a la superficie mediante la utilización de alguna sustancia absorbente (cal, yeso, talco, etc.) que quedará manchada, o cualquier otro producto "revelador" .

- Ensayos ópticos: se basan en la utilización del microscopio metalográfico

- Ensayos eléctricos: se basan en medidas de la resistencia eléctrica del material. Esta

propiedad varía con la presencia de defectos.

- Ensayos con rayos X y rayos gamma( : engloban una serie de técnicas agrupadas bajo esta denominación, que consisten en atravesar el material con una radiación y hacerla incidir sobre una placa o película fotográfica, que quedará impresionada. Realmente estamos obteniendo una radiografía de la pieza, de manera que puedan observarse sus defectos. Estas técnicas forman parte de lo que se conoce como Radiología Industrial.

Referencias

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