Cuaderno de Prácticas

GRADO EN INGENIERA MECNICA

DOBLE GRADO EN INGENIERIA EN DISEO INDUSTRIAL Y

DESARROLLO DEL PRODUCTO E INGENIERA MECNICA

INGENIERA DE MATERIALES

PRCTICAS DE LABORATORIO

Curso 2014-2015

Ingeniera de Materiales Prcticas de Laboratorio

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TCNICAS DE PREPARACIN METALOGRFICA

Descripcin

Realizar la preparacin metalogrfica de muestras metlicas para que puedan

ser observadas a travs del microscopio ptico y determinar el tamao de

grano de un metal.

Objetivo

Dar a conocer al alumno las tcnicas necesarias para preparar una muestra

para que pueda ser observada a travs de microscopa ptica. As mismo se

pretende que el alumno conozca cmo se mide el tamao de grano de un metal

policristalino.

Procedimiento

El alumno, tras leer el cuadernillo con la informacin necesaria, realizar en el

laboratorio todos los pasos para la preparacin de una muestra de acero.

Concluida la prctica el profesor supervisar la correcta preparacin de la

muestra y lo indicara en la hoja de resultados.

Sobre una imagen, el alumno determinar el tamao de grano por varios

mtodos.


2

TCNICAS DE PREPARACIN METALOGRFICA

La observacin de una muestra metlica al microscopio ptico requiere el

seguimiento de un protocolo de preparacin de la superficie a estudiar. La

secuencia de pasos a seguir est ideada para que no se altere al material, es

decir que lo observado ser una representacin fidedigna de la microestructura

interna del material.

El procedimiento a seguir para preparar una muestra con el objeto de

observar su microestructura a travs de un microscopio ptico consta de varias

etapas que se resumen esquemticamente en la Fig. 1 y se describen

brevemente a continuacin.

Sin empastillado

Ataque

Limpieza

Pulido

Desbaste

Identificacin

Empastillado

Extraccin

Figura 1. Etapas de la preparacin materialogrfica.

Extraccin

El primer paso ha de consistir, lgicamente, en la extraccin de una muestra de

la pieza cuyo material se desea estudiar. Dicha muestra ha de ser

representativa del material objeto de estudio. Normalmente, la extraccin se

realiza mediante un disco de corte con abundante aporte de lquido refrigerante

para evitar calentamientos excesivos que pudiesen alterar la microestructura

del material.


3

Empastillado

Si el tamao de la muestra es demasiado pequeo para que pueda

manipularse con comodidad, la pieza habr de ser embutida en algn material

polimrico (usualmente baquelita o algn tipo de resina epoxy) de modo que el

conjunto (Fig. 2) sea adecuado para su manipulacin manual.

En caso de que se desee observar los bordes de la muestra, porque stos

tengan algn tipo de recubrimiento o tratamiento trmico superficial, la resina

empleada deber estar reforzada con partculas duras. Con ello se persigue

aumentar la dureza de la resina, acercndola a la dureza de la muestra, de

modo que en la siguiente etapa de la preparacin (la de desbaste) ambos

materiales se desgasten por igual, preservndose as la geometra de la

superficie de la muestra. A este tipo de empastillado se le denomina de

preservacin de bordes.

Figura 2 Muestras empastilladas

Desbaste

Mediante la etapa de desbaste se eliminan las posibles capas carentes de

inters que pudiera haber sobre la muestra (como pintura, xido, grasa,) a la

vez que se consigue que sta tenga una superficie plana. Para ello, la muestra

se lija con una secuencia de papeles abrasivos cada vez ms finos. El papel de

lija ms empleado tiene como elemento abrasivo partculas de SiC. Existen

papeles de SiC con las numeraciones 60, 120, 180, 220, 320, 500, 1000, 2400,

y 4000. Dicho nmero indica la cantidad de partculas de abrasivo por pulgada

cuadrada, por lo que un papel a menor nmero ms bajo ser la cantidad de

partculas por unidad de rea y ms basto ser el papel.

El desbaste puede realizarse manualmente o de modo asistido. En el

desbaste manual (Fig. 3a), se comienza frotando la muestra sobre la lija ms

basta, con un movimiento longitudinal con respecto al papel. Una vez que se ha

conseguido un rayado uniforme con una de las lijas, la muestra se gira 90 y


4

comienza a frotarse sobre una lija ms fina. Con el giro de la muestra se

consigue eliminar el rayado procedente de la lija ms basta. Al final del

proceso, la muestra debera tener una superficie plana con un rayado uniforme

y fino procedente del ltimo papel de abrasivo empleado. El lijado ha de

realizarse en presencia de un refrigerante (normalmente, agua) que no slo

evita el calentamiento de la muestra, sino que tambin sirve para retirar los

restos de material que se van desprendiendo.

Figura 3. Procedimiento a seguir en: (a) desbaste manual, (b)

desbaste asistido. En ambos tipos de desbaste, la muestra ha de

girarse 90 al cambiar de papel abrasivo.

En el desbaste asistido (Fig. 3b), los papeles de lija son circulares y estn

montados sobre un plato giratorio. Para conseguir un rayado uniforme en la

muestra, en lugar de moverla longitudinalmente como se hace en la caja de

desbaste, sta se ha de mantener inmvil sobre el papel de lija. Al cambiar de

papel de lija, la muestra deber, igualmente, ser girada 90.

Pulido

El pulido tiene por objeto eliminar las rayas producidas en la operacin de

desbaste y obtener una superficie especular en la muestra. Para ello se utilizan

abrasivos de tamao menor a los empleados en el desbaste. Su tamao es tan

pequeo (incluso por debajo de 0.05 m) que en lugar de emplearse pegados a

un papel con adhesivo (papel de lija), se pulveriza sobre un pao en el que las

partculas de abrasivo quedan ancladas. El pao est montado sobre un plato

que gira acierta velocidad asistido por un motor. Para realizar un pulido

adecuado, la muestra ha de moverse trazando espirales en sentido contrario al

del giro del pao (Fig. 4).


5

Figura 4. Procedimiento para realizar el pulido de la muestra.

Tras el pulido la muestra presenta una superficie especular y al observarla

al microscopio podremos ver inclusiones no metlicas, precipitados y porosidad

(Fig. 5).

Figura 5. Microestructura de una fundicin (aleacin Fe-C) en la que

solamente se aprecia una fase negra en forma de rosetas (grafito) y

abundantes poros esferoidales de pequeo tamao.


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Ataque

Finalmente la muestra ha de ser atacada para revelar completamente su

microestructura. Principalmente, se persigue resaltar los lmites de grano del

material, las posibles maclas y aumentar el contraste de las diferentes fases

que lo forman.

El ataque qumico es el mtodo ms empleado, y consiste en exponer la

muestra a la accin de un cido. Dicho cido reacciona preferentemente con

los tomos de la superficie que tienen mayor energa (los ms reactivos), es

decir, los que se encuentran en los lmites de grano, maclas, Este arranque

selectivo de tomos hace que dichas zonas no reflejen perfectamente la luz,

mostrndose en un tono ms oscuro (Fig. 6).

Las distintas fases del material y las diferentes orientaciones de los granos

de una misma fase tambin se comportan de modo distinto frente al reactivo

por lo que aparecen contrastadas cuando se observan al microscopio.

Figura 6. (a) Cambio en la reflexin de la luz en una probeta

atacada, (b) Micrografa de la misma muestra de la Fig. 5, tras el

ataque con el reactivo revelador, ponindose de manifiesto los

lmites de grano existentes.


7

Determinacin del tamao de grano aparente (UNE-EN ISO 643)

El tamao de grano de un material policristalino es muy importante ya que tiene

influencia en diversas propiedades mecnicas. Los granos no son esfricos ni

tienen todos el mismo tamao, aunque lo tuvieran el corte de una seccin debe

pasar por diferentes secciones para cada grano es decir, su tamao es

irregular, por lo que su medida es necesariamente aproximada y debe

realizarse de forma estadstica. Por ello nos referimos al tamao de grano

aparente. El tamao de grano se determina mediante el examen microgrfico

de una seccin pulida de la muestra preparada como se indic antes y atacada

con medio adecuado para revelar el lmite de grano. El tamao de grano

promedio se caracteriza mediante un ndice que se obtiene por comparacin o

conteo o bien mediante el valor del nmero medio de intersecciones sobre una

lnea, recta o curva, de ensayo. El tamao de grano se suele indicar mediante

el valor promedio de su dimetro. Sin embargo, los granos no son esfricos y

sus dimensiones tienen una cierta distribucin, por eso es ms habitual indicar

el nmero de granos que hay por unidad de superficie, m. La norma ASTM

(prctica E-122) define un ndice o nmero de tamao de grano, G, relacionado

con m. El ndice, G, se determina mediante la relacin

m=82G

siendo m el nmero de granos por mm2, es decir, por definicin, G=1 para

m=16 granos/mm2.

Determinacin del tamao de grano por comparacin con imgenes tipo

Se examina una imagen al microscopio ptico a 100x, o sobre una micrografa

obtenida a los mismos aumentos, y se compara con una serie de imgenes tipo

superpuestas con los tamaos de grano numerados para distintos valores de G

(normalmente de 00 a 10), figura 7. La imgen tipo con un tamao de grano

ms proximo no da el valor de G. Si los aumentos son distintos de 100x se

emplea la frmula

G=m + 6.64 log(g/100)

siendo g el aumento.

Determinacin del tamao de grano por mtodos planimtricos

Se superpone un crculo de 79,8 mm (5000 mm2 de rea) sobre la micrografa

o directamente en el ocular del microscopio. Se justa el aumento para que haya

al menos 50 granos dentro del crculo. Se cuentan los granos que estn


8

totalmente dentro del circulo n1 y los que intersectan su permetro n2, figura 8.

Entonces

m = 2n

donde n = n1+n2/2. Si se hace a otros aumentos, g, entonces m=n(g/5000).

Figura 7. Imagen tipo para determinar el

nmero de grano ASTM.

Figura 8. Determinacin del tamao de

grano mediante el mtodo planimtrico.


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Determinacin del tamao de grano por el mtodo del segmento

interceptado

Se cuenta el nmero de granos interceptados, N, o el nmero de lmites de

grano, P, que intersectan una lnea, recta o circular, de medida de longitud

conocida. La figura 9 muestra una retcula recomendada. Las dimensiones de

los tres crculos deben ser 26.53, 53.05, y 79,58 mm de dimetro de forma que

el permetro total de los tres crculos es 500 mm. Tambin se muestran 4 lneas

rectas dos transversales de 150 mm, una vertical y otra horizontal cada una de

100 mm de longitud. El aumento se debe seleccionar de forma que haya al

menos 50 interceptaciones.

Figura 9. Retcula recomendada para

el mtodo del segmento interceptado.

Para el conteo por el segmento lineal se siguen las siguientes reglas:

Cada grano atravesado por la lnea de medida N cuenta 1.

Si la lnea de medida termina en un grano N cuenta 0.5.

Si la lnea de medida es tangencial a un lmite de grano N cuenta 0.5.

O bien contando el nmero de bordes de grano atravesados

Si la lnea de medida atraviesa un lmite de grano se P cuenta 1.

Si la lnea de medida es tangencial a un lmite de grano P cuenta 0.5.

Si intersecta un punto triple P cuenta 1.5.

Para el conteo con el segmento circular procedemos igual pero las de punto

triple cuentan como 2 en lugar de 1.5.


10

Realizamos el conteo sobre uno o varios campos al azar y calculamos el valor

medio de N o P si la longitud de la lnea de medida es L tenemos NL=N/L

(PL=P/L). Si se hace a otros aumentos, g, hay que cambiar L por L/g

G=6.44 log10NL-3.288

Figura 10. Imgenes tipo extradas de ASTM E-112 con indicacin del nmero

de tamao de grano.


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MEDIDA DE LA DUREZA EN VARIOS MATERIALES

Descripcin

Medir la dureza de muestras metlicas con diferentes tratamientos de

endurecimiento.

Objetivo

Uso del durmetro para medir la dureza

Procedimiento


laboratorio la medida de la dureza para diversas muestras: acero recocido,

acero normalizado, acero templado, cobre recocido, cobre laminado en fro,

cobre recristalizado, aluminio recocido y aluminio madurado. Cada material

(acero, cobre o aluminio) emplea un tipo de dureza (y un durmetro) diferente.

La prctica se realizar por parejas de forma que cada alumno realice una

medida de dureza sobre cada muestra.

En la tabla de resultados se anotarn las medidas de dureza individuales

obtenidas y el promedio de las dos, indicando en cada caso a qu tipo material

corresponden atendiendo a su mayor o menor dureza.


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La dureza de un material es una medida de su resistencia a ser deformado.

Normalmente se determina presionando con una fuerza conocida una punta de

cierta geometra sobre la superficie de un metal y midiendo la superficie de la

huella que deja o la profundidad de esta. Esto nos da un valor del nmero de

dureza del metal. Hay varias formas de medir la dureza, en esta prctica vemos

dos de ellas:

Dureza Brinell: Consiste en hacer una huella con un penetrador esfrico de

dimetro D, figura 1. El nmero de dureza Brinell (HB) se obtiene como el

cociente entre la carga aplicada (kg) y el rea de la huella (mm2), considerada

como un casquete esfrico de igual dimetro que la bola:

222

dDDD

PHB

Existen diversas escalas de dureza Brinell atendiendo al dimetro del

penetrador y carga empleados. Usaremos la escala HB10.

La forma de realizar esta medida la indicar el profesor en el laboratorio.

La medida se expresa en la forma n HB10 donde n es el nmero de dureza

Brinell medido.

Figura 1. esquema para la medida de dureza Brinell.

Dureza Rockwell: Consiste en aplicar una fuerza sobre un penetrador de

geometra determinada sobre una probeta metlica. En las escalas Rockwell B

y C que usaremos en esta prctica se emplean las siguientes condiciones:

HRB: Penetrador esfrico de 1/16 pulgadas y carga de 100 Kg.

HRC: Penetrador cnico de 120 y carga de 150 Kg.


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El proceso de medida consta de tres fases, figura 2:

1.- Se aplica una pequea carga de 10 Kg (precarga) de forma que el

penetrador alcanza una cierta profundidad que tomaremos como fondo de

escala (100 divisiones). El inicio de la escala se sita a 200 micras de esa

profundidad con lo que cada divisin se corresponde con una profundidad de 2

micrometros.

2.- Se aplica la carga de ensayo (90 Kg para HRB y 140 Kg para HRC)

manteniendo la precarga. La carga se mantiene durante un corto tiempo para

que se estabilice la medida. El penetrador alcanza una cierta profundidad.

3.- Eliminamos la carga manteniendo la precarga de forma que el material se

recupera algo y no regresa a la posicin inicial sino que queda a mayor

profundidad. La medida en la escala en este punto es el nmero de dureza

Rockwell (HRB o HRC).

La dureza Rockwell se expresa mediante un nmero entero n en la forma n

HRB o n HRC segn se use la escala B o C.

Figura 2. Esquema para la medida de la dureza Rockwell.

Endurecimiento de metales


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Hay diversas formas de endurecer un metal. Algunas de ellas son:

1.- Tratamiento trmico.

Las propiedades finales de un acero dependen en gran medida del tratamiento

trmico sufrido por la pieza. En la figura 3 se muestran tres tratamientos

trmicos habituales. Todos comienzan con un calentamiento hasta la zona

austentica, un periodo de homogenizacin en dicha zona (austenizacin), y un

enfriamiento final hasta la temperatura ambiente.

Figura 3. Algunos tratamientos trmicos de los aceros

Es este ltimo paso el que diferencia los tres tratamientos trmicos:

Recocido: el enfriamiento se produce lentamente, en condiciones de equilibrio.

La microestructura resultante es la correspondiente al diagrama de equilibrio.

Normalizado: el enfriamiento es ms rpido que en el recocido. La

microestructura obtenida es similar al caso del recocido, aunque con menor

cantidad de ferrita y de grano ms fino y la perlita tambin con lminas ms

finas. En consecuencia, un acero normalizado posee una mayor dureza y

resistencia que uno recocido.

Temple: el enfriamiento se produce a alta velocidad. Aparece una nueva fase

de no equilibrio llamada martensita de estructura tetragonal centrada en el

cuerpo. Fase muy dura, por lo que se obtiene un gran aumento de la dureza y

la resistencia y una importante disminucin de la tenacidad.

2.- Endurecimiento por deformacin, acritud.


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Cuando un metal se deforma plsticamente en fro se crean muchas

dislocaciones en su estructura. Estas dislocaciones interaccionan entre ellas,

enredndose y anclndose de forma que se reduce su movilidad y por tanto la

capacidad de deformar el material, es decir el metal se endurece. Para

recuperar las propiedades el metal debe ser sometido a un tratamiento trmico

(recocido de recristalizacin) que le permita recuperar sus propiedades

originales.

Figura 4. Endurecimiento por deformacin en fro o acritud.

3.-Endurecimiento por precipitacin.

Para ciertas aleaciones (los duraluminios Cu4Al, por ejemplo) podemos

controlar la precipitacin de fases por cambio en la solubilidad de un elemento,

haciendo que estas aparezcan como un precipitado muy fino. Estos

precipitados actan como punto de anclaje de las dislocaciones impidiendo su

movimiento y, consecuentemente, endureciendo el metal. Si enfriamos muy

rpidamente (hipertemple) un duraluminio desde la zona monofsica hasta

temperatura ambiente, figura 5, no daremos tiempo para que precipite la fase

quedando sobresaturada en Cu. Un tratamiento trmico a una temperatura


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por debajo de la lnea de solvus (maduracin) provocar la precipitacin de la

fase en forma de pequeas partculas dispersas. Estas son las que producen

el endurecimiento estructural, figura 5.

Figura 5. Endurecimiento por precipitacin.


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OBSERVACIN AL MICROSCOPIO PTICO

Descripcin

Observar muestras metlicas mediante microscopa ptica.

Objetivo

Uso del microscopio ptico para observar la microestructura de un material.

Identificar diferentes tipos de aceros, por medio de su microestructura.

Procedimiento


laboratorio la observacin de una muestra de acero haciendo uso del

microscopio ptico.

Se debe identificar un acero indicando su tipo. En el crculo hacer un esquema

de la microestructura observada indicando las fases y su coloracin al

observarse con el microscopio.

.


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Microestructuras caractersticas de los aceros

El acero es una aleacin de hierro y carbono, donde la cantidad de C no supera

el 2% de la composicin de la aleacin, figura 1.

Figura 1. Diagrama metaestable Fe-Fe3C

La existencia de la transformacin eutectoide permite distinguir tres tipos

distintos de aleaciones de acero (figuras 2, 3 y 4):

Aceros hipoeutectoides (< 0,77% C). Estructura de granos de perlita

embebidos en una matriz de ferrita.

Aceros eutectoides (0,77% C): Toda la austenita se transforma en

perlita.

Aceros hipereutectoides (>0,77% C). Estructura de granos de perlita

embebidos en una matriz de Fe3C.


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Figura 2. Acero hipoeutectide

Figura 3. Acero eutectide

Figura 4. Acero hipereutectide


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Se distinguen los siguientes microconstituyentes (partes de la estructura

pticamente diferenciables, que pueden estar formada por una o varias fases):

Ferrita (-Fe o -Fe): solucin slida intersticial de C en Fe. Red

cristalina cbica centrada en el cuerpo BCC.

Austenita (-Fe): solucin slida intersticial de C en Fe. Red cristalina

cbica centrada en las caras (FCC).

Cementita (Fe3C): Carburo de hierro, con un contenido de C del 6.68%.

Red cristalina ortorrmbica. En los aceros pueden existir tres tipos de

cementita, atendiendo a su morfologa:

- Cementita secundaria o en red: aparece en los lmites de grano en

los aceros hipereutectides, formando una red y confirindole al

acero una cierta fragilidad.

- Cementita eutectide: aparece en forma de laminas, formando parte

del eutectide (perlita).

- Cementita terciaria: aparece en forma de precipitado en los lmites de

grano en aceros con muy bajo contenido en C (menores al 0.022%).

Perlita: (-Fe + Fe3C): microsconstituyente esencial de los aceros,

formado por lminas de - 3C.


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ENSAYO CHARPY O DE RESILIENCIA

Descripcin

Realizacin de un ensayo Charpy

Objetivo

Medida de la energa absorbida durante la fractura de una muestra mediante

un impacto. Determinacin de la temperatura de transicin dctil-frgil.

Procedimiento


laboratorio uno o varios ensayos sobre muestras de acero a diferentes

temperaturas. En la tabla de resultados se anotarn las medidas obtenidas y se

determinar grficamente la temperatura de transicin dctil-frgil.


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ENSAYO CHARPY O DE RESILIENCIA

El nombre de este ensayo se debe a su creador, el francs Augustin

Georges Albert Charpy (1865-1945).

A travs del mismo se puede conocer el comportamiento que tienen los

materiales al impacto.

Los modos de fractura que pueden experimentar los materiales se

clasifican en dctil o frgil, dependiendo de la capacidad que tienen los mismos

de absorber energa durante este proceso. El comportamiento dctil est

caracterizado por una absorcin de energa mayor que la requerida para que

un material fracture frgilmente. Por otra parte el comportamiento dctil tiene

asociado altos niveles de deformacin plstica en los materiales.

Transicin dctil-frgil

Muchos materiales tienen un comportamiento dctil o frgil que depende

de la temperatura, existiendo una zona de transicin que se conoce como

temperatura de transicin dctil-frgil DBTT, figura 1.

Figura 1. Curva de transicin dctil frgil tpica de un acero.


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Desde el punto de vista de la ingeniera es muy importante, y en

ocasiones imprescindible, conocer cul sera el comportamiento mecnico de

los materiales, cuando se encuentran expuestos a condiciones extremas de

servicio. Es por ello que muchos de los ensayos de impacto se realizan en

condiciones en las cuales se favorece la fractura frgil.

Entre los factores que contribuyen a modificar el modo de fractura y que

se pueden estudiar mediante el ensayo de impacto Charpy se encuentran:

La velocidad de aplicacin de la carga.

La presencia de concentradores de tensiones, lo cual se logra

mecanizando una entalla en la probeta del material a estudiar.

La temperatura, estudiando el impacto en materiales expuestos a

diferentes temperaturas.

A pesar de que todos los factores que condicionan el modo de fractura de

los materiales tienen una gran importancia, el efecto de la temperatura es tal

vez, entre todos ellos, el ms conocido. Esto se debe a que algunas de las

catstrofes estructurales estn relacionadas con la transicin dctil-frgil que

experimentan algunos materiales al disminuir la temperatura. La transicin

dctil-frgil ocurre en un rango amplio de temperaturas el cual est dado por la

composicin especfica de cada material.

En el caso de los metales o aleaciones, el flujo plstico que posibilita que

estos materiales se deformen es consecuencia del movimiento de las

dislocaciones. Este movimiento a su vez est relacionado con el nmero de

sistemas de deslizamiento que se encuentren activos a una temperatura dada.

Es por ello que la combinacin temperatura-tipo de estructura cristalina,

determina la magnitud en la que se puede manifestar la transicin dctil-frgil.

Si el esfuerzo requerido para mover una dislocacin es muy alto, el metal

fallar debido a la propagacin de una grieta y la fractura ser frgil.

Generalmente los sistemas de deslizamiento coinciden con los planos ms

compactos de los distintos sistemas cristalinos, lo cual no ocurre en los metales

que tienen una estructura cbica centrada en el cuerpo, como el Fe. Estos

metales suelen fallar de forma frgil a temperaturas relativamente bajas y

tienen un comportamiento dctil a temperaturas altas.

A partir de las curvas esfuerzo-deformacin mostradas en la figura 2,

obtenidas de ensayos de traccin realizados al Fe a diferentes temperaturas,


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se observa que existe un aumento considerable del lmite elstico a medida

que disminuye la temperatura del ensayo. Este aumento del lmite elstico,

junto con la disminucin de la velocidad de las dislocaciones a medida que

disminuye la temperatura, conducen a fragilizar el material.

Figura 2. Curvas tensin deformacin para hierro a diferentes temperaturas.

En los metales con estructura cristalina cbica centrada en caras, figura 3,

el esfuerzo requerido para mover las dislocaciones, no depende fuertemente de

la temperatura. Por lo tanto, el movimiento de las dislocaciones permanece alto

aun a bajas temperaturas y el material sigue siendo relativamente dctil.

Figura 3. Comparacin de la energa absorbida durante el impacto para materiales con estructura BCC y FCC.

Las pruebas de impacto Charpy se realizan segn normas

internacionales, tabla 1, en las cuales se detallan las dimensiones de las

probetas empleadas en este tipo de ensayo, as como la forma de reportar los

resultados de los mismos.


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Tabla 1. Normas internacionales para la realizacin del ensayo Charpy.

El ensayo consiste en colocar una muestra preparada con una entalla en

la parte inferior del recorrido de un pndulo dotado de una cuchilla de metal

duro (widia, WC). Al dejar caer el pndulo desde una altura conocida, h0, este

golpea a la muestra y, tras romperla, alcanza una cierta altura, hf, que podemos

medir. A partir de la diferencia de alturas, mediante una escala graduada,

sabemos la energa absorbida por la muestra durante su rotura.

A la muestra, de seccin cuadrada, se le realiza una entalla que puede

tener diferentes geometras, figura 5. El impacto de la cuchilla se realiza justo

detrs de esta en el ensayo Charpy aunque hay otras variantes, como la Izod,

en la que el impacto puede ser en otra zona, figura 5. Las entallas provocadas

por un mecanizado, fabricacin o diseo deficientes, ocasionan una

concentracin de esfuerzos en zonas localizadas de los materiales. Por otra

parte, la fractura comienza en los sitios donde la concentracin de tensiones es

mayor. De esta forma, haciendo una entalla a la muestra garantizamos su

fractura por la parte central. En la figura 6 se muestran las dimensiones de la

muestra para el ensayo Charpy con entalla en V.

Figura 4. Esquema de una Mquina para el ensayo Charpy.


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Figura 5. Distintas geometras de la entalla (en U, cerradura y V) y diferentes variantes del ensayo.

r0.25

45o

55 10 7.5 5

Figura 6. Dimensiones de la probeta para en ensayo Charpy con entalla en V.

Adems de la energa de fractura se puede determinar la extensin de la

fractura dctil o frgil. La zona fracturada presenta una morfologa como la que

se muestra en la figura 7. En la zona central hay una parte, de forma

aproximadamente rectangular, correspondiente a la fractura frgil. Esta se

encuentra rodeada por los lados de una zona dctil y la parte de iniciacin y

final de la fractura. Midiendo el porcentaje de fractura frgil como se muestra en

la figura 8 podemos determinar (mediante clculo, a partir de una tabla o por

comparacin) el % de fractura dctil, figura 8.


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Figura 7. Esquema mostrando la morfologa de una fractura por ensayo Charpy.

Figura 8. Determinacin del % de fractura dctil a partir de la medida de la zona frgil por medio de una tabla o por comparacin.


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ENSAYO DE TRACCIN

Descripcin

Realizacin de un ensayo esfuerzo deformacin o ensayo de traccin

Objetivo

Medida de la curva tensin deformacin y determinacin de las propiedades

mecnicas de un acero.

Procedimiento

El profesor realizar en el laboratorio uno o varios ensayos de traccin sobre

muestras de acero. El alumno, tras leer el cuadernillo con la informacin

necesaria dispondr de una curva tensin deformacin en papel milimetrado

con la que tendr que medir grficamente el mdulo de Young, el lmite elstico

al 0,05 %, la tensin mxima y la ductilidad (como % de la elongacin). Estos

valores se anotarn en la tabla de resultados.


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ENSAYO DE TRACCIN

Cuando un material se somete a un esfuerzo responde mediante una

deformacin. Dependiendo del carcter de la deformacin tenemos

comportamiento elstico o plstico. Cuando el material recupera sus

dimensiones iniciales al suprimir la fuerza (normalmente para valores bajos de

la carga) el material se ha deformado de manera elstica. Por el contrario si se

produce una deformacin permanente (si la fuerza es elevada) diremos que el

material se ha deformado de forma plstica y solo se recupera en parte al cesar

la aplicacin de la fuerza.

La fuerza sobre el material podr ser de distinta magnitud y aplicarse a

distintas velocidades, incluso de forma cclica, de forma que las propiedades

mecnicas del material podrn verse afectadas dependiendo de la naturaleza

de la carga aplicada, su duracin y su variacin temporal. Tambin la

temperatura es un factor a tener en cuenta.

Habitualmente se consideran cuatro tipos de fuerza: traccin,

compresin, cizalladura y torsin tal y como se muestran en la figura 1.

Cuando una de ellas se aplica de forma constante o bien con una velocidad

de carga relativamente lenta y uniforme, es posible determinar el

comportamiento mecnico del material mediante un ensayo de esfuerzo-

deformacin. De estos el ms habitual es el ensayo de traccin que nos

permite determinar varias propiedades mecnicas importantes de los

materiales.

La forma de llevar a cabo el ensayo de traccin se muestra en la figura 2.

Una probeta normalizada como la mostrada en la figura 3, se estira

uniaxialmente a lo largo de su eje mediante la aplicacin de una carga a

velocidad constante hasta que se rompe. El resultado es una curva esfuerzo-

alargamiento, como la mostrada en la figura 4.

El ensayo de traccin es destructivo y rpido (unos cuantos minutos).

Como la probeta se deforma en toda su longitud, el alargamiento sufrido

depende de su longitud inicial. Asimismo, la fuerza necesaria para romper la

probeta es funcin de su seccin. Para evitar esta dependencia con las

dimensiones de la probeta los datos se suelen normalizar de forma que se


30

miden la tensin nominal o ingenieril, (stress), y el alargamiento nominal o

porcentual, (strain) dados por

0A

F

00

0

l

l

l

ll

siendo F la carga instantnea y l la longitud instantnea y A0 y l0 la seccin y

longitud iniciales respectivamente. Habitualmente l0 no es la longitud inicial total

de la muestra, sino de una zona de menor longitud marcada sobre la muestra

que se conoce como longitud calibrada. La tensin tiene unidades de presin

y se mide en MPa (1 MPa 0 1 N mm-2), no tiene unidades aunque a veces se

expresa como % o en mm/mm. En la figura 12.5 se muestra una curva tensin

deformacin tpica.

Figura 1. Tipos de fuerza que se suelen aplicar sobre un material. Las lneas punteadas indican las dimensiones antes de aplicar la carga y las slidas despus. A) traccin, b) compresin c) cizalladura y d) torsin.


31

Figura 2. Montaje experimental para la realizacin de un ensayo de traccin.

Figura 3. Probeta normalizada para la realizacin del ensayo de traccin.

Figura 5. Curva tensin-deformacin obtenida como resultado de un ensayo de traccin. Se indican las propiedades mecnicas que se pueden determinar a partir de la grfica: mdulo de elasticidad, lmite elstico, resistencia a la traccin, alargamiento de rotura y tenacidad. Ver texto.


32

Deformacin elstica

Si observamos la curva tensin-deformacin, encontramos que se puede

dividir en dos zonas bien diferenciadas. Para tensiones y deformaciones bajas,

el comportamiento es lineal de forma que se tiene que

E

Expresin que se conoce como ley de Hooke. El coeficiente de

proporcionalidad (la pendiente de la recta en esta zona) se denomina mdulo

de elasticidad o mdulo de Young y se representa mediante el smbolo E. En

esta zona el material recupera sus dimensiones originales al cesar la accin de

la tensin, es decir, la deformacin de la muestra es elstica. El mdulo de

Young representa la resistencia que un material presenta para ser deformado

elsticamente, es decir, es una medida de su rigidez. Cuanto mayor es el

mdulo de Young de un material menor es su deformacin para una tensin

dada, el material es ms rgido.

Deformacin plstica

Hemos visto que durante la deformacin elstica los enlaces atmicos se

estiran y vuelven a su posicin de equilibrio al cesar la fuerza. Si las

deformaciones aumentan, llega un momento en que los enlaces atmicos no

pueden estirarse ms y comienzan a romperse, la deformacin entonces es

permanente o plstica. Siempre se produce una cierta recuperacin debido a la

deformacin elstica como se muestra en la figura 6 pero el material se queda

permanentemente deformado.

Figura 6. Recuperacin elstica al cesar la fuerza cuando el material ha sido deformado plsticamente.


33

La tensin para la cual el material deja de ser elstico y pasa a tener lugar

la deformacin plstica se denomina lmite proporcional, P, figura 7. Su valor no

est bien definido ya que la transicin no se produce de forma brusca. En la

curva tensin deformacin suele haber un cambio de pendiente continuo de

manera que el lmite proporcional es difcil de medir. En la prctica se

determina el lmite elstico, y, (en ingls yield strength YS) para una cierta

deformacin, normalmente 0.002 0.005. Lo que se hace es trazar la paralela

a la zona elstica que pasa por este valor de deformacin, el punto en el que

corta a la curva tensin deformacin es y, el punto en la figura 5.

Figura 7. Curva de tensin deformacin en la que se muestra el

lmite proporcional y la forma de determinar el lmite elstico, y. En la curva tensin deformacin, cuando se supera el lmite proporcional,

la tensin continua creciendo aunque la pendiente es cada vez menor, hasta

alcanzar un mximo que se conoce como resistencia a la traccin (resistencia

mxima o UTS, ultimate tensile strength) y se suele designar mediante TS, el

punto en la figura 5.


34

Hasta ese punto, la deformacin es uniforme en toda la seccin de la

pieza. Sin embargo, a partir de TS la deformacin deja de ser uniforme, en

algn punto de la probeta (normalmente prximo al centro) se comienza a

producir un estrangulamiento de forma que, al tener menos seccin, toda la

deformacin se produce en esta zona, figura 8. Justo ah se producir la

fractura.

Figura 8. Deformacin de una probeta a lo largo de la curva tensin. Hasta M la deformacin es uniforme, a partir de ah se produce un estrangulamiento y finalmente la muestra se rompe en ese punto al llegar a F. A la derecha se muestra una fotografa de una probeta en la que se observa claramente el estrangulamiento.

La cada de la curva tensin-deformacin a partir de M se debe a que la

tensin est referida a la superficie inicial, si estuviera referida al rea

instantnea veramos como la tensin no disminuye sino que aumenta

Otra propiedad mecnica interesante es la tensin de rotura, sin embargo,

su valor tiene una alta variabilidad entre probetas. En general, cuando se

realiza un diseo, se suele indicar el lmite elstico del material como su

resistencia mecnica, no la tensin de fractura, ya que para esa tensin la

deformacin plstica es tan grande que el material se vuelve inservible.

Ms til es el valor de la deformacin de rotura o ductilidad, en la figura

5, normalmente expresada como porcentaje de la longitud o el rea iniciales.

Indica la capacidad de un material para deformarse plsticamente sin

romperse. Es importante en varios procesos de fabricacin y su valor depende

de L0 o A0.


35

CORROSIN

Descripcin

Determinacin del potencial de una pila de electrodos diferentes en agua de

mar artificial.

Objetivo

Establecer una serie galvnica en agua de mar a partir de un grupo de metales

o aleaciones.

Procedimiento

El alumno, tras leer el cuaderno con la informacin necesaria dispondr de una

serie de metales puros y aleaciones y prepararn 100 cm3 de una solucin

salina al 3.5 % de NaCl en agua, la salinidad media del agua de mar.

Para medir el potencia en estado activo, se desbastan los metales para

dejarlos bien limpios de grasa y xidos y se introducen dos en la solucin sin

que estn en contacto. Se conectan a los terminales de un multmetro y se

mide la diferencia de potencial. Para los aceros inoxidables hacer las medidas

tambin en estado pasivo, sin desbastar. Realizar la medida para todos los

pares galvnicos posibles entre un metal o aleacin y los restantes

manteniendo siempre la misma polaridad. Seguidamente ordenarlos para

establecer la serie galvnica en este medio.


36

CORROSIN GALVNICA. SERIE GALVNICA

La combinacin de dos conductores elctricos (electrodos) sumergidos en un

electrolito se denomina pila galvnica. La pila galvnica convierte la energa qumica

en energa elctrica. Cuando se unen ambos electrodos con un alambre de baja

resistencia, fluye por l una corriente convencional desde el electrodo que llamamos

positivo al electrodo que llamamos negativo. Por supuesto que los portadores de

corriente electrones se mueven en direccin contraria, o sea, desde el electrodo

negativo al positivo, figura 1. Dentro del electrolito la corriente es transportada por

iones. La corriente que portan estos iones depende de su respectiva movilidad y carga

elctrica.

Por ejemplo supongamos una pila galvnica de Cu y Zn. Las reacciones que

tienen lugar son

Cu++ + 2e- Cu

Zn Zn++ + 2e-

por lo que el Cu ser el ctodo y el Zn el nodo como se indica en la figura 1.

Figura 1. Pila galvnica formada por electrodos de Cu y Zn.

Las pilas galvnicas se forman cuando se conectan entre s dos metales

diferentes por contacto directo, o bien cuando se encuentran dos metales diferentes

dentro de un electrolito y se conectan exteriormente por un conductor metlico de baja

resistencia. Otros ejemplos de estas pilas son un metal que contiene en su superficie

impurezas conductoras de la electricidad, una tubera de cobre conectada a una de

hierro, o la formada por un metal deformado en fro en contacto con el mismo metal

recocido.


37

Los potenciales normales de electrodo de los distintos metales se pueden

ordenar de forma que los metales ms nobles estn al comienzo de la lista. Se

denomina serie electroqumica a la disposicin ordenada de los potenciales normales

de electrodo de los metales con respecto al electrodo de hidrgeno. Los valores ms

positivos corresponden a los metales ms nobles, mientras que los ms negativos

corresponden a los ms activos.

De los dos metales que forman una pila, el nodo es el metal ms activo,

mientras que el ctodo es el metal ms noble.

Las limitaciones, que a veces, se encuentran para predecir las relaciones

galvnicas, y el hecho de que no se incluyan aleaciones de uso normal, han sugerido

las denominadas "Series Galvnicas". Estas series son una disposicin de metales y

aleaciones de acuerdo con sus potenciales reales medidos en un medio dado. En esta

serie algunos metales y aleaciones ocupan dos posiciones, dependiendo de que estn

en estados activos o pasivos, mientras que en la Serie Electroqumica solo son

posibles los estados activos.

INGENIERA DE MATERIALES. PRCTICAS DE LABORATORIO HOJAS DE RESULTADOS

Entregar las hoja de resultados al profesor antes del 17 de enero de 2014

1

Apellidos y nombre:

PREPARACIN METALOGRFICA

Muestra bien preparada

Algunos defectos

Mal preparada

TAMAO DE GRANO

Sobre la siguiente imagen, obtenida a 100x, determinar el nmero de grano

ASTM (G) por el mtodo planimtrico (suponer que el crculo tiene las

dimensiones adecuadas.

n m G



2

Sobre la siguiente imagen, obtenida a 400x, determinar el nmero de grano

ASTM (G) por el mtodo de intercepcin usando un crculo de 250 mm de

permetro, una lnea horizontal y otra vertical de 100 mm.

N L G



3


Dureza 1 Dureza 2 Media Material

Muestra 1

Muestra 2

Muestra 3

Muestra 4

Muestra 5

Muestra 6

Muestra 7

Muestra 8

Donde pone material indicar si se trata de: acero recocido, acero normalizado, acero templado, cobre recocido, cobre laminado en fro, cobre recristalizado, aluminio recocido y aluminio madurado


Muestra Tipo de acero

Esquema de la microestructura:



4

ENSAYO CHARPY

Energa absorbida

T1 T2 T3

ENSAYO DE TRACCIN

Determinar los valores de la tabla siguiente a partir del grfico adjunto,

indicando sobre el grfico la forma de clculo. Para la escala tener en cuenta

que la altura del eje y son 500 MPa y la longitud del eje x una elongacin de 0.1

mm/mm.

E

y (0.005)

UTS

Ductilidad



5



6

MEDIDA DE LOS POTENCIALES DE LA PILA GALVNICA

POTENCIAL (mV) Material

Muestra 1

Muestra 2

Muestra 3

Muestra 4

Muestra 5

Muestra 6

Muestra 7

Muestra 8

Muestra 9

Muestra 10

Muestra 11

Muestra 12

Muestra 13

Muestra 14

SERIE GALVNICA EN 3.5 % NaCl

Cuaderno de Prácticas

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