La medición de las propiedades mecánicas es un factor esencial paradeterminar la adaptabilidad de un material específico para una funciónespecífica. Sin embargo, cuando las propiedades son medidas por diferentesinvestigadores en diferentes laboratorios, existe un potencial deinconsistencias en las técnicas y en los resultados.

La American Society for Testing and Materials (ASTM), ha publicado másde 12 000 normas para las pruebas de materiales. Aunque el cumplimiento deestas normas es voluntario, éstas proporcionan una descripción detallada delos procedimientos para las pruebas que aseguran que los resultados dediferentes laboratorios sean directamente comparables.

Normas

Normas

Ésta es una característica importante paramuchas aplicaciones de ingeniería, incluyendo lamayoría del herramental usado en lamanufactura.

Es común utilizar pruebas de dureza para evaluar las propiedades del material porque sonrápidas y convenientes. Sin embargo, son varios los métodos de prueba apropiados debidoa las diferencias de dureza de materiales distintos.

DurezaLa dureza de un material se define como suresistencia a la indentación permanente. Por logeneral, una dureza buena significa que elmaterial es resistente a las rayaduras y al uso.

Dureza

El durómetro como su nombre lo indica esun instrumento de medición dedicado ahacer pruebas y a medir la dureza dediferentes tipos de materiales. Son capacesde medir materiales como metales,plásticos, cauchos, elastómeros, entre otros.

Se usa mucho para medir la dureza de metales y nometales de dureza baja a media. En la prueba, sepresiona una esfera de acero endurecido (o carburocementado) de 10 mm de diámetro, contra la superficie deun espécimen, con una carga de 500, 1500 o 3000 kg.Después, se divide la carga entre el área de indentaciónpara obtener el Número de Dureza de Brinell (BHN).

Dureza de Brinell

HB = Número de Dureza de Brinell (BHN);F = carga de indentación, kg;Db =diámetro de la esfera, mm; yDi = diámetro de la indentación sobre lasuperficie, mm.

Dureza de Brinell

Se presiona un indentador cónico, o esfera de diámetropequeño, de 1.6 mm o 3.2 mm contra un espécimen,por medio de una carga pequeña de 10 kg, lo queasienta el indentador en el material. Después se aplicauna carga mayor de 150 kg (u otro valor), lo que haceque el indentador penetre en el espécimen ciertaprofundidad más allá de su posición inicial. La máquinade prueba convierte esta distancia de penetración, d, enuna lectura de dureza de Rockwell. Las diferencias en lacarga y geometría del indentador proporcionan variasescalas de Rockwell para distintos materiales.

Dureza de Rockwell.

Dureza de Rockwell.

Utiliza un indentador de forma piramidal hecho de diamante. Se basa en el principio de quelas impresiones dejadas por él son similares en cuanto a su geometría sin importar la cargaque se emplee. De acuerdo con esto, se aplican varias cargas en función de la dureza delmaterial por medir. La prueba de Vickers se utiliza para todos los metales y tiene una de lasescalas más amplias entre las pruebas de dureza.

Dureza de Vickers.

F = carga aplicada, kg.D = diagonal de la impresión hecha por el indentador, mm.

Dureza de Vickers.

Los científicos en materiales por logeneral convierten los valoresBrinell a un punto en la escala dedureza Moh, la cual fuedesarrollada por Friederich Mohen 1822. Al material más suave, eltalco, se le asignó un valor de 1,mientras que el diamante recibeun valor de 10. A otros ochominerales más comunes se lesasignaron los valores entre 2 y 9de acuerdo al incremento en sudureza.

Dureza Moh

El ejemplar con que se inicia la prueba tiene una longitud original Lo y un área Ao. La longitud semide como la distancia entre las marcas de medición, y el área como la sección transversal delespécimen. Durante la prueba el ejemplar se estira, luego le aparece un estrangulamiento y porúltimo se fractura. La carga y el cambio de longitud del espécimen se registran conforme la prueba seefectúa a fin de obtener los datos que se requieren para determinar la relación esfuerzo-deformación.

Ensayo a Tensión

Desarrollo común de una prueba de tensión: 1) inicio de la prueba, sin carga; 2) estiramientouniforme y reducción del área de la sección transversal; 3) continuación del estiramiento, se alcanzala carga máxima; 4) formación de un estrangulamiento, la carga comienza a disminuir; y 5) fractura.Si los elementos se unen como se ilustra en 6), es posible medir la longitud final.

Ensayo a Tensión

Ensayo a Tensión

Ensayo a Tensión

Ensayo a Tensión

La cantidad de deformación que el material es capaz de soportar antes de que ocurra la falla tambiénes una propiedad mecánica de interés para muchos procesos de manufactura. La medición común deesta propiedad es la ductilidad, que es la capacidad que tiene un material para deformarseplásticamente sin sufrir una fractura.

Ensayo a Tensión

Razón de Poisson

Ensayo a Compresión

Ensayo a Compresión

El proceso de doblar una sección transversal rectangular, sujeta al material a esfuerzos detensión (y deformación) en la mitad externa de la sección que se dobla, y a esfuerzos decompresión (y deformaciones) en la mitad interior. Si el material no se fractura, queda dobladoen forma permanente (plásticamente).

Ensayo a Flexión

La falla ocurre por lo general porque se excede la resistencia final de tensión de las fibras exteriores del espécimen. Esto da como resultado un agrietamiento.

resistencia a la ruptura transversal

Ensayo a Flexión

Ensayo a Flexión

La temperatura tiene un efectosignificativo sobre casi todas laspropiedades de un material. Para eldiseñador es importante conocer laspropiedades del material a lastemperaturas de operación del productocuando está en uso. También esimportante saber cómo afecta latemperatura las propiedades mecánicas enla manufactura. A temperaturas elevadas,los materiales resisten menos y aumentasu ductilidad.

Efecto de la temperatura sobre las propiedades

La dureza en caliente es tan sólo la capacidadque tiene un material para mantener sudureza a temperaturas elevadas.

Pueden hacerse aleaciones de acero paralograr mejoras significativas de la dureza encaliente. Las cerámicas muestran propiedadessuperiores a temperaturas elevadas. Esfrecuente que estos materiales se seleccionenpara aplicaciones a temperaturas altas, comolas piezas de una turbina, herramientas decorte y usos refractarios.

Efecto de la temperatura sobre las propiedades

Prueba de Impacto

Prueba de Fatiga

Capacidad CaloríficaCuando un material absorbe calor del ambiente,su temperatura aumenta. Esta observacióncorriente puede cuantificarse mediante unapropiedad fundamental del material, la capacidadcalorífica, C, definida como la cantidad de calornecesaria para elevar su temperatura 1 K (= 1 °C),siendo

Dilatación térmicaUn aumento de latemperatura origina unamayor vibración térmica delos átomos del material y unaumento de la distancia mediade separación entre átomosadyacentes.

Dilatación térmicaUn aumento de latemperatura origina unamayor vibración térmica delos átomos del material y unaumento de la distancia mediade separación entre átomosadyacentes.

Conducción térmica

Estructura Cristalina

Niveles de ordenamiento atómico en losmateriales: (a) los gases monoatómicosinertes no tienen ordenamiento regular deátomos. (b) y (c) Algunos materiales, queincluyen vapor de agua, nitrógenogaseoso, silicio amorfo y vidrios de silicato,tienen orden de corto alcance. (d) Losmetales, aleaciones y muchas cerámicas,así como algunos polímeros, tienenordenamiento regular de átomos o ionesque se extiende a través del material.

Celdas unitarias

Es la subdivisión de la red cristalina quesigue conservando las característicasgenerales en toda la red.

Se identifican 14 tipos de celdas unitariaso redes de Bravais agrupadas en sietesistemas cristalinos.

Tipos de Celdas unitarias

Tipos de Celdas unitarias

Tipos de Celdas unitarias

Transformaciones alotrópicas o polimórficasLos materiales que pueden tener mas de una estructura cristalina se llaman alotrópicos opolomorficos. El termino alotropía por lo general se reserva para este comportamiento enelementos puros, en tanto que el polimorfismo en un termino más general.

Endurecimiento por Deformación

Endurecimiento por Deformación

Endurecimiento por DeformaciónCoeficiente de endurecimiento por deformación: La respuesta del metal al trabajo en frio esta dada poreste coeficiente n, que es la pendiente de la porción dela curva esfuerzo real-deformación real si se usa unaescala logarítmica.

Endurecimiento por Deformación

Aquellos metales con un bajo coeficiente de endurecimiento por deformación responden mal al trabajo en frio.

Endurecimiento por Deformación

Endurecimiento por Deformación

Endurecimiento por Deformación

Características del trabajo en Frio1. Simultáneamente se puede endurecer el metal y producir la forma final deseada.

2. Mediante el proceso de trabajo en frio es posible obtener tolerancias dimensionales yterminados superficiales excelentes.

3. El proceso de trabajo en frio es un método económico para producir grandescantidades de pequeñas piezas, ya que no requiere fuerzas elevadas ni de equipo deconformado costoso.

4. Algunos metales, como el magnesio HC tienen un numero limitado de sistemas dedeslizamiento y a temperatura ambiente son mas bien frágiles; por lo que solo es posiblerealizar un grado reducido de trabajo en frio.

Características del trabajo en Frio5. Durante el trabajo en frio la ductilidad, la conductividad eléctrica y la resistencia a lacorrosión se deterioran. Dado que el trabajo en frio reduce la conductividad eléctrica enmenor grado que otros procesos de endurecimiento, como introducir elementosaleantes, el trabajo en frio es una forma satisfactorio para endurecer materialesconductores como alambre de cobre utilizado para transmitir energía eléctrica.

6. Los esfuerzos residuales y el comportamiento anisotrópico adecuadamentecontrolados pudieran ser benéficos.

Trabajo en CalienteEl trabajo en caliente se define como la deformación plástica del metal a unatemperatura superior a la temperatura de recristalización. Durante el trabajo en caliente,el metal se está cristalizando continuamente.

Trabajo en CalienteLas propiedades finales de piezas trabajadas en caliente no son isotrópicas. Los rodillos odados de conformado, que normalmente están a una temperatura inferior a la del metal,enfrían su superficie más rápidamente que el centro de la pieza. Entonces, la superficietendrá un tamaño de grano más fino que en el centro.

Acabado superficial. El acabado superficial por lo general es pobre junto al obtenidomediante el trabajo en frío. El oxígeno puede reaccionar con el metal de la superficie,formando óxidos que durante el conformado serán introducidos dentro de la superficie.

Trabajo en CalientePrecisión dimensional. La precisión dimensional también es más difícil de controlardurante el trabajo en caliente. Debe tomarse en consideración una mayor deformaciónelástica, ya que a las temperaturas de trabajo en caliente el módulo de elasticidad esbajo y además, el metal se contrae al enfriarse.