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TEMA 1: “Procedimientos de ensayo y medida de los materiales” Esquema: TEMA 1: “Procedimientos de ensayo y medida de los materiales”.....................................................1 1.- Introducción..............................................................................................................................1 2.- Propiedades de los materiales..................................................................................................2 2.1.- Propiedades eléctricas.......................................................................................................3 Conductividad eléctrica:...................................................................................................................................3 Resistividad....................................................................................................................................................3 Superconductividad........................................................................................................................................3 Piezoelectricidad................................................................................................................................................3 Piroelectricidad..................................................................................................................................................4

2.2.- Propiedades magnéticas....................................................................................................4 2.3.- Propiedades electromagnéticas.........................................................................................4 Espectro electromagnético................................................................................................................................4 2.3.1.- Ópticas.....................................................................................................................................................5 2.3.2.-Radiación nuclear: rayos “α”, “β”, “γ” y “x”.......................................................................................5

2.4.- Propiedades térmicas.........................................................................................................5 2.5.- Propiedades mecánicas.....................................................................................................6 2.6.- Propiedades químicas........................................................................................................8 3.- Objeto y clasificación de los ensayos.......................................................................................8 4.- Ensayos de propiedades mecánicas. Destructivas.................................................................9 4.1.- Estáticas:............................................................................................................................9 4.1.1.- Dureza......................................................................................................................................................9 4.1.1.1.-De dureza al rayado:.........................................................................................................................9 Ensayo de Martens ..................................................................................................................................9 Ensayo a la lima.....................................................................................................................................10 Ensayo de Mohs.....................................................................................................................................10 4.1.1.2.- A la penetración:............................................................................................................................10 Ensayo Brinell........................................................................................................................................10 Ensayo Vickers.......................................................................................................................................11 Ensayo Knoop........................................................................................................................................12 Ensayo Rockwell....................................................................................................................................12 4.1.1.3.- Ensayos dinámicos:.......................................................................................................................13 Método Shore (HS)................................................................................................................................13 Método Poldi..........................................................................................................................................14

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1.- Introducción En 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 utilización. Antiguamente, sólo la experiencia del constructor o del artesano permitía seleccionar los materiales más idóneos en cada caso. Actualmente, a medida que aumentamos el consumo de materiales, se hace necesario racionalizar al máximo su aprovechamiento, evitando sobre dimensionamientos costosos e innecesarios. La reducción de los coeficientes obliga a intensificar el control de los materiales, dando cada vez con esto más importancia al ensayo de los mismos. El estudio basado en los ensayos y la experimentación sistemática ha dado lugar a la llamada ciencia e ingeniería de los materiales. Las propiedades de los materiales son los diferentes comportamientos o respuestas de éstos bajo la acción o la influencia de factores externos, como la fuerza, la temperatura, la luz, los agentes químicos 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 idénticos no siempre se obtienen los mismos valores. Debemos controlar la dispersión y errores de los datos.

Un aspecto que también es causa de variabilidad al estudiar las propiedades de un material es su carácter isótropo o anisótropo. En los materiales isótropos las propiedades no dependen de la dirección en la que se observen. Los materiales anisótropos son aquellos cuyas propiedades varían según la dirección en la que se consideren. En este tema se presentan las propiedades más relevantes de los materiales que en los temas posteriores se ven, de forma más puntual, en el estudio de cada uno de los materiales tecnológicos, además del estudio de los métodos de ensayo y determinación de los mismos. ●

2.- Propiedades de los materiales Definimos las propiedades de un material, como las características 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 él superior a cierto límite, arbitrario y variable, según la utilización que se pretenda hacer con ella. Las características de los materiales pueden manifestarse espontáneamente, es decir, sin intervención de agentes exteriores, o por la actuación de dichos agentes. En el primer caso tenemos las propiedades intrínsecas del material; como son el peso específico, el volumen, la configuración cristalográfica, etc. En el caso de que las propiedades se manifiesten al actuar una causa exterior en el material. Es importante conocer la relación que existe entre estructura interna del material, su procesamiento y sus propiedades finales. Cuando se cambia alguno de los tres aspectos de esta [email protected]

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relación, cualquiera de los otros también se alterar. Las propiedades pueden agruparse de maneras diferentes. No obstante, desde el punto de vista técnico la siguiente clasificación: 1. Propiedades sensoriales.- Son aquellas propiedades que, como el color, el brillo o la textura , están relacionadas con la impresión que produce el material en nuestros sentidos. 2. Las propiedades fisicoquímicas.- Son aquellas propiedades que nos informan sobre el comportamiento del material ante diferentes acciones externas. 3. Propiedades tecnológicas.- Son aquellas propiedades que nos informan sobre el comportamiento del material durante la fabricación. 4. Propiedades ecológicas.- 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 química, física, constitutiva, etc, se ha determinado realizar la clasificación según su clasificación más inmediata en: eléctrica, magnética, electromagnética, térmica, mecánica y química.

2.1.- Propiedades eléctricas En muchas aplicaciones, el comportamiento eléctrico es más importante que el mecánico. Conductividad eléctrica: La conductividad eléctrica “σ” es la facilidad con la que cada material deja pasar a través de el una corriente de cargas eléctricas al estar sometido a una diferencia de potencial en sus extremos. Su valor varía con la temperatura y por el número 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. =

R⋅A 1 =  L

Según la resistividad se clasifican los materiales en: ● Superconductores: su resistividad es “cero”, es decir, que está por debajo de la precisión de los instrumentos de medida actuales. −6 −4 ● Conductores: su resistividad es muy baja del orden de ≈10 ÷10 ⋅cm . −3 9 ● Semiconductores: su resistividad es media del orden de ≈10 ÷10 ⋅cm . Hay de dos tipos intrínsecos y extrínsecos (con impurezas). Normalmente se emplea Silicio (Si), Germanio (Ge) o Arseniuro de Galio (AsGa). No tiene dual como propiedad. 9 22 ● Dieléctricos o aislantes: su resistividad es muy alta del orden de ≈10 ÷10 ⋅cm . Suelen ser materiales plásticos, cerámicos y vítreos. Superconductividad Son considerados conductores perfectos, pero en la actualidad sólo se dan en muy bajas temperaturas. De entre ellos podemos destacar metales como el mercurio (Hg), plomo (Pb), Indio [email protected]

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(In), Aluminio (Al) y Talio (Ta); semiconductores sometidos a presión como el Silicio (Si) y Germanio (Ge); materiales intermetálicos como el Niobio-Titanio (NbTi) o aleaciones como el Magnesio boro(MgB2) y óxidos cerámicos de estructura perovskita. Sus aplicaciones: ●

Médicas: aparatos de resonancia magnética nuclear y TAC.

●

Electrotécnicas: levitación magnética de trenes, transformadores de alto campo, interruptores electrónicos, computadores de alta velocidad, Baterías de automóviles eléctricos, plantas de energía para fusión, motores y generadores de corriente alterna...

Piezoelectricidad Capacidad de algunos materiales para generar electricidad al ser presionados y/o viceversa, capacidad de modificar sus dimensiones al someterlos a un campo eléctrico. Cambio de dimensiones de un material cuando actúa sobre él un campo eléctrico. Aplicaciones típicas son los denominados músculos de hilo (muscle wire) empleados en bioingeniería, biónicas, o robóticas de Nitinol. Se trata de aleaciones de Niquel y Titanio. Ejemplo:cuarzo, perovskita (titanatos, tantalio de litio, Nitrato de litio...) . Sus aplicaciones típicas son: ●

Médicas: sustituto de la piel humana

●

Electrónicas: cristales resonadores para relojes y computadores, micrófonos o transductores de presión.

●

Militares: detectores ultrasónicos.

Piroelectricidad Cuando la temperatura de un cristal varía uniformemente (se calienta o se enfría) se puede producir un desplazamiento de los iones de tal manera que se polariza. Los materiales más usuales son la turmalina y la Sel de Rochelle. Sus aplicaciones: transductores de calor-temperatura en cámaras térmicas y de visión nocturna, así como en sensores de presencia PIR de sistemas de alarma.

2.2.- Propiedades magnéticas Estas propiedades representan la interacción de la estructura y la microestructura atómica con el campo magnético; esto permite producir imanes permanentes y electro imanes. Algunas de las propiedades son: dipolos y momentos magnéticos, imanación, permeabilidad, magnetizar(es comunicar a algún cuerpo la propiedad magnética, convertirlo en un imán), ferromagnetismo, ferrimagnetismo, paramagnetismo (al aumentar la temperatura disminuye su imanación), antiferromagnetismo y diamagnetismo. Los materiales magnéticos se pueden dividir en: blandos, duros, nanomateriales (generados por [email protected]

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Sputtering y sistemas magneto ópticos. Sus aplicaciones: tecnología militar, investigación, materiales inteligentes.)

2.3.- Propiedades electromagnéticas Las propiedades electromagnéticas se pueden clasificar en dos grandes grupos: ópticas y radioactivas. Dentro de cada grupo, podemos distinguir las siguientes propiedades: emisión, transmisión, absorción, reflexión y refracción. Espectro electromagnético. Un material puede emitir, transmitir, absorber, reflejar y refractar energía o radiaciones en forma de ondas o partículas. Aunque los materiales pueden tener características sobre todo el espectro electromagnético de frecuencias, analizaremos el rango de espectro visible e infrarroja y el rango de radiación nuclear, que son los más completos. 2.3.1.- Ópticas Al incidir fotones sobre un material, ceden su energía produciendo luminiscencia (propiedad de emitir luz en cualquier rango de frecuencia) y esta se clasifica en fotoemisión se da en algunos metales y semiconductores por ejemplo LED, diodos LASER, fosforescencia emisión de radiación de un material durante un tiempos con tiempos de relajación grandes, fluorescencia emisión de radiación de un material con tiempos de relajación pequeños. Otras propiedades son: absorción (metales de color negro), reflexión (metales de color blanco o plateado), transmisión, refracción. 2.3.2.-Radiación nuclear: rayos “α”, “β”, “γ” y “x”. Se denomina radiactividad al fenómeno por el cual los átomos emiten radiaciones de forma espontanea porque se trata de átomos 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 energía del rango de rayos nucleares y cósmicos. Las emisones pueden ser de rayos “α” , rayos “β” , rayos “γ” y de rayos “x” (los átomos de cada elemento producen un espectro característico que permite usar estas emisiones para identificar materiales). Ademas de las propiedades de absorción, transmisión, reflexión, refracción y difracción (cuando las ondas de una radiación de cualquier clase llegan a un material que posee una pequeña abertura, se propagan más allá del obstáculo en todas direcciones, constituyéndose la abertura el centro de la radiación. Esto puede observarse con las ondulaciones producidas en el agua al caer una piedra y al encontrar éstas 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 radiación, se observa que las ondas secundarias [email protected]

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originadas en cada abertura se interfieren y anulan en la mayoría de direcciones, pero existen direcciones privilegiadas que en vez de anularse se refuerzan originando la difracción. Se emplea en medicina con máquinas de oncología y rayos “x”).

2.4.- Propiedades térmicas Son: •

Calor específico: cantidad de calor tomada o cedida por un cuerpo para variar en una cantidad su temperatura., es decir, equivale a la cantidad de energía que hay que suministrar por unidad de masa para elevar la temperatura del sistema un grado Q Q C= = . m. T f −T i m. ΔT

•

Capacidad calorífica de un sistema cerrado en un proceso infinitesimal que depende de la P Q y T de trabajo, se define como C= lim (J/K). ΔT  0 ΔT

•

Conductividad, indica la velocidad en la que se transfiere el calor a través de un material. Esta propiedad permite diferenciar entre materiales: conductores térmicos y materiales aislantes.

•

Puntos críticos: fusión, ebullición, sublimación, transición vítrea e inflamabilidad. Punto de fusión: temperatura a la cual un material pasa del estado sólido a líquido. • Punto de ebullición: temperatura a la cual un material pasa del estado líquido a gaseoso. • Punto de sublimación: temperatura a la cual un material pasaría de estado sólido a gaseoso. • Punto de transición vítrea: temperatura a la cual algunos materiales poliméricos pasan de estado sólido a un estado gomoso. • Punto de inflamabilidad: es la temperatura más 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, pudiéndose clasificar desde este punto de vista en: incombustibles, autoextinguibles, combustibles, inflamables. Cambio de forma o tamaño: Dilatación. Consiste en el aumento o disminución de las dimensiones del material en función de la temperatura del mismo, causada por la agitación de los átomos dentro de la red cristalina por la energía aportada por la temperatura. •

•

2.5.- Propiedades mecánicas Son: 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 dinamómetro. b) Volumen cantidad de espacio que ocupa su materia . c) Densidad / peso específico, (ρ) es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en m Kg un determinado volumen = = 3 . El peso específico es el cociente entre el peso del v m

 

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material y el volumen que ocupa en el espacio. Cuando se trata de gases es preciso fijar la presión y la temperatura a que se encuentra. d) Porosidad , o capacidad de un objeto de absorber líquidos o gases. e) Resistencia se refiere a la capacidad de los sólidos deformables para soportar tensiones sin alterar su estructura interna o romperse. Esta resistencia puede ser: Resistencia a la tracción o compresión que es la tensión que corresponde a la carga máxima en un ensayo de tracción. • Resistencia a flexión que es la tensión requerida para fracturar una probeta en un ensayo de flexión, se conoce también como módulo de rotura. • Resistencia a la fatiga que es la tensión requerida para causar fallo por fatiga en un número determinado de ciclos. Es por tanto la disminución de la resistencia mecánica 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 penetración por un objeto duro. Se relaciona directamente con ésta el desgaste y, en ocasiones, la rugosidad superficial o conjunto de irregularidades de la superficie real. • La cohesión es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse. Está relacionada no sólo con la resistencia sino con la tensión, elasticidad y plasticidad, pero se valora también con los ensayos de dureza y los de tracción. f) Elasticidad y Rigidez El término elasticidad designa la propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentra sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan. Pero la medida cualitativa de la deformación elástica producida por un material es la rigidez. Un material rígido tiene un módulo de elasticidad elevado. •

g) Deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a la aplicación de una o más fuerzas sobre el mismo o la ocurrencia de dilatación térmica. Pero el incremento porcentual total en la longitud de una probeta durante una deformación se denomina elongación. Con esto la deformación elástica es la alteración del material que se recupera al eliminar la fuerza aplicada. h) Plasticidad. Es la deformación 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 energía total que absorbe un material hasta romperse o cantidad de energía 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 .Así la capacidad relativa a la facilidad de estirarlo en forma de hilos. Existe una temperatura de transición a la cual un material cambia su comportamiento de frágil a dúctil denominada temperatura de transición.. Por tanto la ductilidad es consecuencia e la tenacidad, elasticidad, plasticidad y resistencia y está íntimamente relacionado con éstas. Además de la ductilidad tenemos: •

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

•

Maleable (maleabilidad): Capacidad relativa a la facilidad de conformarse deformándose en

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

k) Hidrodinámicas: viscosidad y permeabilidad. La viscosidad es la oposición 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, según que permitan o no el paso del agua a su través, pudiendo hacerlo en ambos casos por inhibición o sin inhibición. La permeabilidad de un material crece al aumentar la temperatura así como la diferencia de presión y decrece al aumentar el espesor de la pieza, o al disminuir el radio medio de la red capilar. l) Acústicas: Conductividad es la capacidad de conducir en este caso vibraciones del rango de las ondas sónicas porque su resistencia es muy baja al paso de las mismas.

2.6.- Propiedades químicas •

Composición. Estabilidad: La composición de un material es el conjunto de átomos de elementos químicos que forman parte del mismo. En función de los elementos que lo componen, entre otras causas, dependerá la estructura cristalina y el resto de propiedades. Se denomina elemento si todos sus átomos son iguales. Mientras que recibe el nombre de compuesto si éstos son distintos. La estabilidad de un elemento químico es una propiedad que depende de si tienen completa la última capa de electrones de valencia.

•

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

•

Polimorfismo o Alotropía. El polimorfismo es la capacidad de un material sólido de existir en más 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 único elemento se denomina también alotropía.

•

Fuerza de enlace debida a la estructura: iónica, covalente o metálica. Conductividad eléctrica iónica.: El tipo de enlace es una propiedad de los materiales que depende de la composición química de los mismos y es la causa de algunas propiedades como la conductividad eléctrica, dureza, ...: La conductividad iónica es la propiedad que tienen algunos materiales que se produce al disociarse moléculas, con enlace iónico, en iones que, sometidas a un campo eléctrico, se mueven. A este proceso se denomina electrolisis. Aplicaciones que se basan en esta propiedad son: las baterías salinas, baterías recargables (ión-Litio) o las pilas de combustible.

•

Corrosión. Oxidación. Podemos definir la corrosión como el deterioro lento de un material por la acción de un agente exterior. .

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3.- Objeto y clasificación de los ensayos. Los ensayos de materiales tienen como objeto poner de manifiesto, mediante métodos, 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 :  Científicos: se hacen en laboratorios especializados y permiten obtener valores precisos y normalizados.  Tecnológicos: se realizan en fábrica e indican calidades del material. Que desde el punto de vista mecánico de conformación, por ejemplo: doblado, embutición, forja, corte, punzonado, soldadura. ● Tipo de análisis de la propiedad:  Cualitativos: indican la presencia o no de la propiedad en el material.  Cuantitativos: dan una magnitud de la composición o de las propiedades en el material. ● La naturaleza del ensayo : según algunos autores se organiza de la siguiente manera:  Química: permite conocer la composición cualitativa y/o cuantitativa del material, así como, la naturaleza del enlace químico o la estabilidad del material frente agentes corrosivos.  Metalográficos: permiten conocer la estructura interna del material con el uso del microscopio.  Físico: cuantifican ciertas propiedades físicas: densidad, punto de fusión...  Nucleares: permite conocer la composición cualitativa y/o cuantitativa del material.  Electromagnéticas: permite descubrir las propiedades eléctricas y/o magnéticas de los materiales así como localizar defectos.  Mecánicas: se determina la resistencia del material a ciertos esfuerzos. Según la velocidad de aplicación de los esfuerzos, se subdivide en: ■ Estáticas: la velocidad de aplicación de la fuerza no influye en el resultado. La carga que se aplica es constante o progresivamente creciente ■ Dinámicas: la velocidad de aplicación es importante en el ensayo, la carga se aplica brusca o alternativamente variable con el tiempo. ● Según se mantenga la integridad del material:  Destructivos: producen daño o rotura de la pieza sometida a ensayo  No destructivos: no ven alterada su forma y su presencia inicial.

4.- Ensayos de propiedades mecánicas. Destructivas En estos ensayos la probeta a analizar se inutiliza después del ensayo. Pueden ser estáticos o dinámicos.

4.1.- Estáticas: 4.1.1.- Dureza Es el resultado de un ensayo. Es la resistencia superficial a la deformación 4.1.1.1.-De dureza al rayado: Los primeros procedimientos que se utilizaron, se basaron en la resistencia que oponen los [email protected]

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cuerpos a ser rayados. Ensayo de Martens

Fue la primera máquina que se empleó para medir la dureza al rayado. El ensayo consistía 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. Así el valor de 1000 la dureza se calcula: Δ M = 2 Se mide la anchura del surco mediante a 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 de¡ acero será superior a 60 HRC (60 Rock-well-C), y si entra la dureza será inferior a 58 HRC (58 Rockwell-C) Ensayo de Mohs

Basada en una escala de diez minerales donde el cuerpo más duro era el diamante y el más blando el talco y se empleaba desde el más 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), corindón (9) y diamante (10). 4.1.1.2.- A la penetración: Estas técnicas cuantitativas para determinar la dureza de los materiales se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre la superficie del material a ensayar en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación de la misma. Miden la huella resultante. Ensayo Brinell

Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro 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 esférico que constituye la huella de la bola, tendremos el número en kilogramos de presión por milímetro cuadrado, y este número es, precisamente, lo que se denomina cifra de dureza de Brinell. Su unidad es HB. Desarrollo del procedimiento: 1. 2. 3. 4.

Comprimo la bola conocida. Conocemos la fuerza y el tiempo de presión. Medimos la huella en su diámetro “d” Como la esfera deja sobre el material un área de altura como sigue:

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S=2.  . h calculamos la

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Pitágoras:



donde

x=

D 2 d 2 , sabíamos por el diseño que el valor  −  2 2 D D D 2 d 2 el h= −x= −   −  sustituyendo 2 2 2 2 D D 2 d 2 .D S = . D . −   −  = . D− D2− d 2  2 2 2 2 F 2F 5. Luego la dureza es : HB= S =  D  D−  D 2−d 2 Condiciones normales del ensayo: x= 



D −h luego 2

de



h

es: área:

D = 10 mm • F = 3000 Kg • Tiempo de carga 15 segundos. ( El tiempo oscila entre 10 segundos y 3 minutos, cuanto más duro es el material menos es el tiempo de aplicación 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 diámetro del penetrador. P=K.D2 . La K es una constante tabulada. D D 2. Relación del diámetro de la bola  d   donde d=0,375 . D 4 2 Características del ensayo Brinell • • • • • • •

No es fiable en materiales muy duros y de poco espesor. No es recomendable para piezas cilíndricas y esféricas. No es recomendable para valores superiores a 500 HB, si la bola del penetrador no es de carburo de volframio. Debe cumplirse la relación del diámetro de la bola para que el error del ensayo por deformación del material no sea muy grande. Debe cumplirse la relación de la carga a aplicar Algunos valores de resistencia a tracción y dureza están tabulados HB−80 Se puede conocer el tipo de acero que se ensaya mediante la relación: %C = 141

Ensayo Vickers

Para este ensayo el penetrador que utilizamos es una pirámide regular de base cuadrada, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136º. Se recomienda utilizar este ensayo para durezas superiores a 500 HB Desarrollo del procedimiento: 1. Comprimo una punta piramidal de base cuadrada y ángulo en el vértice de 136º entre las caras. [email protected]

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2. Conocemos la fuerza y el tiempo de presión. 3. Medimos la huella en su diagonal “d” 4. Como la pirámide deja sobre el material un área b S=4. área de una cara =4.  . a de 2 calculamos la altura “a” como sigue: b /2 OC a=OS = = , donde sen68º sen68º b b b2 S=4. = 2 2. sen 68º sen68º 5. Como la medida de ensayo es en función del diámetro de la huella: 1 2 2 2 2 2 2 d =b b =2 b ⇒b =  d 2 2 2 d d 6. Luego el área: S = = 2 sen 68º 1,854 F F 7. Luego la dureza es : HB= =1,854 2 S d Resultado: 520 HV 30 / 15. ( 520 número de dureza Vickers, carga de 30 Kg, y tiempo 15 segundos). Características del ensayo l •

• • •

Las cargas aplicadas son más pequeñas que el método Brinell (oscila entre 1 y 120 Kp), suele emplearse las cargas 1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 100 y 120 Kp. La más empleada es de 30 Kp. El tiempo de aplicación es de 10 a 30 segundos, siendo 15 segundos lo más 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 método que se diferencia del anterior en que el penetrador piramidal es de base rómbica además las cargas que se aplican son muy pequeñas, del orden de gramos, produciéndose huellas con diagonales en relación 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 método Brinell no permite medir la dureza de los aceros templados porque se deforman las bolas. Para evitar este hecho se utiliza la máquina de Rockwell, que se basa también en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados por una bola. No obstante, a diferencia del anterior, se determina la dureza en función de la profundidad de la huella y no de su superficie. Realización de la prueba 1. Aplicación de una carga inicial F0 de 10 Kp y marcar la huella h0. 2. Aplicar una carga adicional F1 que origina una huella máxima. (F1+F0). [email protected]

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3. Elimina la carga F1. Reacción elástica del material y hace que se eleve el penetrador una cierta cantidad quedando una huella permanente. F0 y hp. 4. El número que se lee sobre la escala del equipo después de retirar la carga F 1 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, obteniéndose el grado de dureza Rockwell bola (HRB); o bien un cono de diamante de 120º para materiales duros resultando el grado de dureza Rockwell como HRC. Siendo HRC =100−e y HRB=130−e .

Es un ensayo muy rápido y fácil de realizar, pero menos preciso que los anteriores. Es válido para materiales blandos y duros. 4.1.1.3.- Ensayos dinámicos: En comparación con los ensayos estudiados, presentan la ventaja de la rapidez, comodidad y utilidad, ya que se pueden hacer en cualquier lugar por utilizar equipos portátiles. Por el contrario su desventaja es la menor fiabilidad. Método Shore (HS) Se basa en la reacción elástica del material sometido a la acción de un percusor que, después de chocar con la probeta a ensayar, rebota hasta una cierta altura. El número de dureza HS se deduce de la altura alcanzada en el rebote. Características del ensayo

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•

No es de gran precisión, pero es muy rápido.

•

El equipo es fácil de manejar, poco voluminoso y de Página 13

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coste reducido. •

Apenas produce deformación en la probeta (no deja huella).

•

Es muy apto para controlar grandes series al no dañar 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 HB •

Al no producir deformaciones, permiten aplicarse a todo tipo de materiales

Método Poldi Es un método de impacto que consiste en lanzar una bola de hacer do 5 mm de diámetro sobre el material a medir , de manera que el impulso produzca una huella permanente , se calcula S midiendo la huella según la fórmula: H = p . H p donde H, S S es relativo al material y Sp y Hp al patrón.

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