Serie: Desarrollo de contenidos - · PDF file• Diagramas binarios de insolubili-dad total...

SSeerriiee:: DDeessaarrrroolllloo ddee ccoonntteenniiddoossCCoolleecccciióónn:: MMaatteerriiaalleess

FFuunnddaammeennttooss yy eennssaayyooss eenn mmaatteerriiaalleess mmeettáálliiccoossDDiieeggoo HHeerrnnáánn RRuuiizz

Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología.Instituto Nacional de Educación Tecnológica.Saavedra 789. C1229ACE.Ciudad Autónoma de Buenos Aires.República Argentina.

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PRESIDENTE DE LA NACIÓN

Dr. Néstor Kirchner

MINISTRO DE EDUCACIÓN, CIENCIA Y TECNOLOGÍA

Lic. Daniel Filmus

DIRECTORA EJECUTIVA DEL INSTITUTO NACIONAL DE

EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

Lic. María Rosa Almandoz

DIRECTOR NACIONAL DEL CENTRO NACIONAL DE

EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

Lic. Juan Manuel Kirschenbaum

Fundamentos y ensayos enmateriales metálicos

Materiales

Serie:Desarrollo decontenidos

Educación técnico-profesional

Fecha de catalogación: 3/01/2006

Impreso en MDC MACHINE S. A., Marcelo T. de Alvear 4346(B1702CFZ), Ciudadela, en setiembre 2006

Tirada de esta edición: 2.000 ejemplares

Dirección del Programa:Juan Manuel Kirschenbaum

Coordinación general:Haydeé Noceti

Diseño didáctico:Ana Rúa

Administración:Adriana Perrone

Diseño gráfico:Tomás Ahumada

Sebastián KirschenbaumCarolina Macedra

Diseño de tapa:Tomás Ahumada

Con la colaboracióndel equipo de profesionales

del Centro Nacionalde Educación Tecnológica

Todos los libros estándisponibles en la página

web del INET.www.inet.edu.ar

Serie “Desarrollo de contenidos”.Colección “Materiales”

Distribución de carácter gratuito.

Queda hecho el depósito que previene la ley n° 11.723. ©Todos los derechos reservados por el Ministerio deEducación, Ciencia y Técnologia - Instituto Nacional deEducación Tecnológica.

La reproducción total o parcial, en forma idéntica o modifi-cada por cualquier medio mecánico o electrónico incluyendofotocopia, grabación o cualquier sistema de almacenamientoy recuperación de información no autorizada en forma expre-sa por el editor, viola derechos reservados.

Industria Argentina.

ISBN 950-00-0547-6

Ruiz, Diego HernánFundamentos y ensayos en materiales metálicos,coordinado por Juan Manuel Kirschenbaum.- 1a ed. - Buenos Aires: Ministerio de Educación, Ciencia yTecnología de la Nación. Instituto Nacional de EducaciónTecnológica, 2006.88 p.; 22x17 cm. (Desarrollo de contenidos; 8)

ISBN 950-00-0547-6

1. Materiales Metálicos. II. Kirschenbaum, Juan Manuel, coord. II. Título

CDD 620.16

Las metas, los programas y laslíneas de acción del InstitutoNacional de Educación Tecnológica

Las acciones del Centro Nacionalde Educación Tecnológica

11 LLooss mmaatteerriiaalleess

22 LLaa eessttrruuccttuurraa ddeell ááttoommoo

33 EEssttrruuccttuurraass ccrriissttaalliinnaass yy ddeeffeeccttooss

• El enlace metálico

• El ordenamiento atómico

• Isotropía y anisotropía

• Defectos en las estructurascristalinas

• Difusión

44 DDiiaaggrraammaass ddee ffaassee

• Diagramas binarios de solubilidadtotal al estado sólido

Índice

Electrotécnico (Instituto Dr. Juan Segundo Fernández), Ingeniero

mecánico (Universidad Tecnológica Nacional. Regional Buenos Aires),

Magíster en Ciencia y Tecnología de materiales (Instituto Jorge Sabato.

Universidad Nacional de San Martín –USAM–. Comisión Nacional de

Energía Atómica –CNEA–); se desempeña como ingeniero de calidad

y producción en la industria metalmecánica y como docente universi-

tario (UTN. Regional Buenos Aires).

Este librofue desarrollado

por:

• Diagramas binarios de solubilidadparcial al estado sólido

• Diagramas binarios de insolubili-dad total al estado sólido

• Diagramas binarios eutectoides

• Diagramas binarios peritécticos

• Diagramas binarios complejos

55 EEnnssaayyooss ddee mmaatteerriiaalleess

• Ensayo de tracción

• Ensayo de compresión

• Ensayo de flexión

• Ensayo de impacto o choque

• Ensayo de dureza

• Ensayo de fatiga

• Ensayo de termofluencia

• Ensayo de doblado o plegado

• Ensayo de embutido

• Ensayos no destructivos

BBiibblliiooggrraaffííaa

66

77

88

1111

1133

2222

3300

8888

Diego Hernán Ruiz

El Instituto Nacional de Educación Tecnológica -INET-enmarca sus líneas de acción, programas y proyectos,en las metas de:

• Coordinar y promover programas nacionales yfederales orientados a fortalecer la educación téc-nico-profesional, articulados con los distintosniveles y ciclos del sistema educativo nacional.

• Implementar estrategias y acciones de coope-ración entre distintas entidades, instituciones yorganismos –gubernamentales y no gubernamen-tales-, que permitan el consenso en torno a laspolíticas, los lineamientos y el desarrollo de lasofertas educativas, cuyos resultados sean conside-rados en el Consejo Nacional de Educación-Trabajo–CoNE-T– y en el Consejo Federal de Cultura yEducación.

• Desarrollar estrategias y acciones destinadas a vin-cular y a articular las áreas de educacióntécnico-profesional con los sectores del trabajo y laproducción, a escala local, regional e interregional.

• Diseñar y ejecutar un plan de asistencia técnica a lasjurisdicciones en los aspectos institucionales,pedagógicos, organizativos y de gestión, relativos ala educación técnico-profesional, en el marco de losacuerdos y resoluciones establecidos por el ConsejoFederal de Cultura y Educación.

• Diseñar y desarrollar un plan anual de capacitación,con modalidades presenciales, semipresenciales y adistancia, con sede en el Centro Nacional deEducación Tecnológica, y con nodos en los CentrosRegionales de Educación Tecnológica y las Unidadesde Cultura Tecnológica.

• Coordinar y promover programas de asistenciaeconómica e incentivos fiscales destinados a laactualización y el desarrollo de la educación técni-co-profesional; en particular, ejecutar las accionesrelativas a la adjudicación y el control de la asig-nación del Crédito Fiscal –Ley Nº 22.317–.

• Desarrollar mecanismos de cooperación interna-cional y acciones relativas a diferentes procesos deintegración educativa; en particular, los relaciona-dos con los países del MERCOSUR, en lo referentea la educación técnico-profesional.

Estas metas se despliegan en distintos programas ylíneas de acción de responsabilidad de nuestra institu-ción, para el período 2003-2007:

María Rosa AlmandozDirectora Ejecutiva

del Instituto Nacional de Educación Tecnológica.Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología

LAS METAS, LOS PROGRAMASY LAS LÍNEAS DE ACCIÓNDEL INSTITUTO NACIONALDE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

Programa 1. Formación técnica, media y superior nouniversitaria:

1.1. Homologación y validez nacional de títulos.

1.2. Registro nacional de instituciones de forma-ción técnica.

1.3. Espacios de concertación.

1.4. Perfiles profesionales y ofertas formativas.

1.5. Fortalecimiento de la gestión institucional;equipamiento de talleres y laboratorios.

1.6. Prácticas productivas profesionalizantes:Aprender emprendiendo.

Programa 2. Crédito fiscal:

2.1. Difusión y asistencia técnica.

2.2. Aplicación del régimen.

2.3. Evaluación y auditoría.

Programa 3. Formación profesional para el desarrollolocal:

3.1. Articulación con las provincias.

3.2. Diseño curricular e institucional.

3.3. Información, evaluación y certificación.

Programa 4.Educación para el trabajo y la integraciónsocial.

Programa 5. Mejoramiento de la enseñanza y del apren-dizaje de la Tecnología y de la Ciencia:

5.1. Formación continua.

5.2. Desarrollo de recursos didácticos.

Programa 6. Desarrollo de sistemas de información ycomunicaciones:

6.1. Desarrollo de sistemas y redes.

6.2. Interactividad de centros.

Programa 7. Secretaría ejecutiva del Consejo Nacionalde Educación Trabajo –CoNE-T–.

Programa 8. Cooperación internacional.

Los libros que, en esta ocasión, estamos acercando a lacomunidad educativa, se enmarcan en el Programa 5del INET; han sido elaborados por especialistas delCentro Nacional de Educación Tecnológica del INET ypor especialistas convocados a través del Programa delas Naciones Unidas para el Desarrollo –PNUD– desdesu línea “Conocimientos científico-tecnológicos para eldesarrollo de equipos e instrumentos”, a quienes estaDirección expresa su profundo reconocimiento por latarea encarada.

Desde el Centro Nacional de Educación Tecnológica–CeNET– encaramos el diseño, el desarrollo y la imple-mentación de proyectos innovadores para la enseñanzay el aprendizaje en educación técnico-profesional.

El CeNET, así:

• Es un ámbito de desarrollo y evaluación demetodología didáctica, y de actualización de con-tenidos de la tecnología y de sus sustentoscientíficos.

• Capacita en el uso de tecnología a docentes, profe-sionales, técnicos, estudiantes y otras personas de lacomunidad.

• Brinda asistencia técnica a autoridades educativasjurisdiccionales y a educadores.

• Articula recursos asociativos, integrando a losactores sociales involucrados con la EducaciónTecnológica.

Desde el CeNET venimos trabajando en distintas líneas deacción que convergen en el objetivo de reunir a profe-sores, a especialistas en Educación Tecnológica y arepresentantes de la industria y de la empresa, en accionescompartidas que permitan que la educación técnico-pro-fesional se desarrolle en la escuela de un modosistemático, enriquecedor, profundo... auténticamenteformativo, tanto para los alumnos como para losdocentes.

Una de nuestras líneas de acción es la de diseñar y llevaradelante un sistema de capacitación continua para profe-sores de educación técnico-profesional, implementandotrayectos de actualización. En el CeNET contamos conquince unidades de gestión de aprendizaje en las que sedesarrollan cursos, talleres, pasantías, conferencias,encuentros, destinados a cada educador que desee inte-grarse en ellos presencialmente o a distancia.

Otra de nuestras líneas de trabajo asume la respon-sabilidad de generar y participar en redes que vinculanal Centro con organismos e instituciones educativosocupados en la educación técnico-profesional, y conorganismos, instituciones y empresas dedicados a latecnología en general. Entre estas redes, se encuentrala Red Huitral, que conecta a CeNET con los CentrosRegionales de Educación Tecnológica -CeRET- y conlas Unidades de Cultura Tecnológica –UCT– instaladosen todo el país.

También nos ocupa la tarea de producir materiales decapacitación docente. Desde CeNET hemos desarrolla-

Juan Manuel KirschenbaumDirector Nacional

del Centro Nacional de Educación Tecnológica.Instituto Nacional de Educación Tecnológica

LAS ACCIONESDEL CENTRO NACIONALDE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

do distintas series de publicaciones –todas ellasdisponibles en el espacio web www.inet.edu.ar–:

• Educación Tecnológica, que abarca materiales queposibilitan una definición curricular del área de laTecnología en el ámbito escolar y que incluyemarcos teóricos generales, de referencia, acercadel área en su conjunto y de sus contenidos, enfo-ques, procedimientos y estrategias didácticas másgenerales.

• Desarrollo de contenidos, nuestra segunda serie depublicaciones, que nuclea fascículos de capaci-tación en los que se profundiza en los campos deproblemas y de contenidos de las distintas áreasdel conocimiento tecnológico, y que recopila,también, experiencias de capacitación docentedesarrolladas en cada una de estas áreas.

• Educación con tecnologías, que propicia el uso detecnologías de la información y de la comu-nicación como recursos didácticos, en las clasesde todas las áreas y espacios curriculares.

• Educadores en Tecnología, serie de publicacionesque focaliza el análisis y las propuestas en unode los constituyentes del proceso didáctico: elprofesional que enseña Tecnología, ahondandoen los rasgos de su formación, de sus prácticas,de sus procesos de capacitación, de su vincu-lación con los lineamientos curriculares y conlas políticas educativas, de interactividad consus alumnos, y con sus propios saberes y modosde hacer.

• Documentos de la escuela técnica, que difundelos marcos normativos y curriculares que desdeel CONET –Consejo Nacional de EducaciónTécnica- delinearon la educación técnica denuestro país, entre 1959 y 1995.

• Ciencias para la Educación Tecnológica, que presentacontenidos científicos asociados con los distintoscampos de la tecnología, los que aportan marcosconceptuales que permiten explicar y fundamentarlos problemas de nuestra área.

• Recursos didácticos, que presenta contenidos tec-nológicos y científicos, estrategias –curriculares,didácticas y referidas a procedimientos de cons-trucción– que permiten al profesor de laeducación técnico-profesional desarrollar, con susalumnos, un equipamiento específico para inte-grar en sus clases.

Antes de comenzar con el estudio de losmetales en particular, le proponemos clasifi-car los materiales disponibles para elhombre. Una clasificación muy común resul-ta la de dividir a los materiales en:

• Materiales metálicos.• Materiales cerámicos.• Materiales poliméricos.• Materiales compuestos.• Materiales semiconductores.

Haremos a continuación una breve descrip-ción de cada grupo.

Los mmaatteerriiaalleess mmeettáálliiccooss, tales como hierro,aluminio, titanio y cobre, entre otros, pue-den utilizarse puros o, más generalmente,aleados (aceros, bronces, latones) lo quemejora una o varias propiedades deseablesen el uso. La alta conductividad térmica yeléctrica es una característica de los meta-les. Su resistencia tiene un amplio rango;puede ser pequeña –como en el caso delplomo– o muy alta–como en el casode aceros de altar e s i s t e n c i a – .Muchos materia-les metálicos sondúctiles, lo que

significa que pueden tener grandes defor-maciones antes de llegar a la rotura. Laductilidad es una propiedad útil –por ejem-plo, en la fabricación de piletas de cocina opartes de carrocería de automóviles–.

Dentro de los mmaatteerriiaalleess cceerráámmiiccooss, seencuentran los vidrios, la porcelana, losabrasivos, los refractarios, los cementos, lacerámica roja (ladrillos, tejas) y la cerámicablanca (vajilla, revestimientos, sanitarios).Estos materiales tienen altas resistencias yaltas temperaturas de fusión. Las conducti-vidades térmica y eléctrica son bajas. Lafragilidad es el principal inconveniente delos materiales cerámicos. Algunos ejemplosde materiales cerámicos son la alúmina(Al2O3), el carburo de silicio (SiC), el nitru-ro de silicio (Si3N4) y la sílice (SiO2).Importantes aplicaciones de este grupo sonlos aisladores, capacitores, sensores, detec-tores, herramientas de corte y pulido, yporcelanas dentales.

Los mmaatteerriiaalleess ppoolliimméérriiccooss, también denomi-nados plásticos debido a su gran facilidad demoldeo, se caracterizan porque, en general,tienen baja conductividad térmica y eléctrica.Su resistencia y su temperatura de fusión sonbajas, lo que implica que no pueden aplicar-se a componentes que trabajen a alta

88

El objetivo del presente módulo, es caracterizar los materiales metálicosdisponibles para aplicaciones industriales. Porque, el conocimiento de estas carac-terísticas es de fundamental importancia para realizar su correcta selección y uso.

LOS MATERIALES1.

Definimos con precisiónestos conceptos claveen el título “Ensayos demateriales”.

99

temperatura. Los polímeros están constitui-dos por moléculas largas, las que se forman apartir de la unión de moléculas orgánicasindividuales. Existen tres categorías demateriales poliméricos: termoplásticos, ter-morrígidos y elastómeros; algunos ejemplosde termoplásticos son el polipropileno, elpolietileno, el cloruro de polivinilo (PVC), elpoliestireno, el acrilonitrilo –butadieno– esti-reno (ABS), las resinas acetáIicas y laspoliamidas (nylon); ejemplos de termorrígi-dos son las resinas fenólicas, las resinas epoxi,el poliéster y las aminorresinas (resinas urea-formaldehído). Entre los elastómeros seencuentran el poliisopreno, el polibutadieno,el butadieno-estireno (caucho SBR), las silico-nas y el policloropreno (neopreno).

Se denominan mmaatteerriiaalleess ccoommppuueessttooss a launión de dos o más materiales con la finali-dad de obtener propiedades superiores a lasde los materiales individuales de origen.Existen materiales compuestos naturales y,también, artificiales; entre los primeros sedestacan la madera, formada a partir de fibras

de celulosa y matriz de lignina; entre lossegundos tenemos a los plásticos (que son lamatriz) reforzados con fibra de vidrio o confibra de carbono. Los materiales compuestostienen aplicaciones en la industria automo-triz, aeronáutica, naval y en muchas otras.

Los mmaatteerriiaalleess sseemmiiccoonndduuccttoorreess se desta-can por tener una conductividad eléctricaintermedia. Es decir, que no son buenosconductores ni buenos aisladores. El sili-cio (Si) y el germanio (Ge) son loselementos semiconductores más usuales y,como tales, se encuentran en la tablaperiódica en el límite entre los elementosmetálicos y los no metálicos. Controlandolas impurezas en estos elementos, puedenvariarse sus propiedades de conduccióneléctrica. Estos materiales tienen granimportancia en la industria electrónicamoderna, en la fabricación de componen-tes electrónicos como diodos, transistoresy circuitos integrados. Además, existencompuestos semiconductores, como porejemplo, el arseniuro de galio (GaAs).

Respecto de esta primera clasificación delos materiales, le sugerimos estos interro-gantes, para discutir en clase con susalumnos:

• ¿De qué material se construían,alrededor de 1970, los blocks de motorde automóviles? ¿De qué material seconstruyen, actualmente? Expliquemoslos principales motivos del cambio.

• ¿Con qué material se construían en los’70 los paragolpes de los automóviles?¿De qué material se construyen,actualmente? Expliquemos los motivosdel cambio.

• ¿Con qué material se construye laestructura de los aviones (fuselaje,alas, etc.)? ¿Por qué no se usaacero?

AAccttiivviiddaaddeess ppaarraa eell aauullaa 11

1100

• ¿Qué ventajas tiene el aluminiosobre el acero en la fabricación demarcos de puertas y ventanas que sonutilizados en ambientes externos?¿Cuál es el costo de ambos materiales?

• Los materiales de los neumáticos deautomóviles, ¿son materiales com-puestos? ¿Por qué?

• Los revestimientos (vainas) de conduc-tores eléctricos, deben ser aislanteseléctricos y se construyen con mate-

riales poliméricos. Los materialescerámicos también son aislantes y, sinembargo, no se usan para aislar losconductores. ¿Por qué?

• Hagamos una lista de cinco productosconstruidos con materiales com-puestos.

• Antiguamente, los tapones de lasbebidas eran de corcho; hoy, la ten-dencia es ir reemplazándolos porplástico. ¿Por qué?

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Es importante conocer la estructura atómica,a fin de comprender la descripción de losdistintos tipos de enlace atómico existentesen los materiales.

Quien, después de numerosas investigacio-nes, propone un modelo de átomo es ErnestRutherford. Más tarde, este modelo es modi-ficado por Niels Bohr. El modelo atómicoresultante, conocido como modelo deRutherford- Bohr, considera al átomo forma-do por un núcleo central, que es muypequeño en relación con el tamaño total delátomo pero que concentra casi toda su masa.

Dentro del núcleo se encuentran los proto-nes, que son partículas cargadaspositivamente y cuya masa es muy pequeña.

En el interior del núcleo también se hallanlos neutrones, partículas sin carga eléctrica ycuya masa es, aproximadamente, igual a ladel protón. Cada protón o neutrón tiene unamasa aproximada de 1.66-24 gramos.

A gran distancia del núcleo, giran en órbitaslos electrones, que tienen carga negativa.

El número de electrones es igual al númerode protones, de tal forma que el átomo, en suconjunto, es eléctricamente neutro.

La masa del electrón es, aproximadamente,1840 veces más pequeña que la masa delprotón.

En el modelo de Rutherford-Bohr, cada capau órbita en la que giran los electrones, tienesu determinado nivel de energía; por estemotivo, cada órbita también se llama nivel deenergía. Cada nivel de energía se designa porla letra n (n se llama, también, número cuán-tico principal). Así, tenemos n = 1, 2, 3... Acada capa n se le asigna una letra mayúscula,según la siguiente clave:

Los electrones giran alrededor del núcleoúnicamente en los niveles de energía men-cionados, ya que no existen nivelesenergéticos intermedios.

Una característica de los elementos de latabla periódica es su número atómico. Dichacantidad se define como el número de proto-nes en el núcleo. Como el número deprotones coincide con el número de electro-nes, se verifica:

LA ESTRUCTURA DEL ÁTOMO2.

Estructura atómica del carbono

VVaalloorr ddee nn 11 22 33 ......LLeettrraa KK LL MM ......

NNúúmmeerroo aattóómmiiccoo == NNúúmmeerroo ddee pprroottoonneess == NNúúmmeerroo ddee eelleeccttrroonneess

Por otra parte, la masa atómica –también lla-mada peso atómico– se define como:

MMaassaa aattóómmiiccaa == NNúúmmeerroo ddee pprroottoonneess ++ NNúúmmeerroo ddee nneeuuttrroonneess

La masa atómica de un elemento, es la masade un mol de átomos de ese elemento; o sea,la masa de 6,0223 átomos de ese elemento.

Por otra parte, todo átomo al cual le sobran ofaltan electrones, se denomina ión. Un iónnegativo (por tener electrones en exceso) sellama anión; un ión positivo (por tener defec-to de electrones) se llama catión.

1122

Sus alumnos pueden preguntarse por qué esimportante conocer la estructura del átomo.

La respuesta es que la estructura atómicadetermina cómo los átomos de los distintoselementos de la tabla periódica se pueden unirentre sí. Y, los distintos tipos de uniones per-miten clasificar a los materiales en grupos(metales, polímeros, cerámicos, semiconduc-tores); además, el conocimiento de la forma enque se unen los átomos posibilita comprenderlas propiedades de los distintos grupos demateriales.

Esta capacitación trata sobre materialesmetálicos y, por lo tanto, estudiamos la uniónmetálica, en particular.

1133

Los metales tienden a ceder fácilmente elec-trones; es decir, tienden a formar ionespositivos. En otras palabras: Los metales sonelectropositivos.

En el estado sólido, los metales ceden suselectrones de valencia, los cuales pasan a for-mar una nube de electrones. La estructuraresultante consiste en cuerpos centrales ató-micos cargados positivamente (ionespositivos) que oscilan alrededor de posicio-nes fijas, rodeados de una nube electrónica.

En resumen, podemos imaginar a la uniónmetálica como una red de iones positivos(formados por los núcleos atómicos y loselectrones que se mantienen unidos a él)entre los cuales circulan electrones libres o devalencia. La nube electrónica (cargada nega-tivamente) actúa como material ligante y, así,se mantiene la estructura.

La libertad de movimiento de los electronesque forman la nube electrónica permite

explicar la buena conductibilidad eléctrica delos metales. Cuando se aplica una tensióneléctrica a un metal, la nube electrónicapuede moverse fácilmente y, de este modo, seconduce la corriente eléctrica.

El enlace metálico es característico de losmateriales del mismo tipo. Sin embargo exis-ten, por ejemplo, ciertos compuestosformados a partir de dos o más metales, deno-minados ccoommppuueessttooss iinntteerrmmeettáálliiccooss, queestán enlazados a través de enlaces metálicos eiónicos1 en forma conjunta. En otras palabras:Existen materiales metálicos que están forma-dos a partir de enlaces mixtos. Sin embargo,vamos a considerar como hipótesis de trabajoque los materiales metálicos están ligados úni-camente a través de enlaces metálicos.

ESTRUCTURAS CRISTALINAS Y DEFECTOS3.

El enlace metálico

El enlace metálico

Conductividad eléctrica

1 Iremos explicándole los otros tipos de enlace en los próxi-mos materiales de capacitación de esta serie.

En los materiales metálicos en estado sólido,los átomos se ordenan según distintos tiposde arreglos; los átomos presentan un ordena-miento espacial regular y repetido,ubicándose en los puntos (también llamadosnodos) de una red. El ordenamiento regulary repetido se denomina eessttrruuccttuurraa ccrriissttaalliinnaa.

A cada punto de esa red le corresponden unoo varios átomos, dependiendo de la comple-jidad del material.

Existen 14 tipos de celdas unitarias, queconstituyen 7 sistemas cristalinos. Las celdasunitarias, al constituir la menor subdivisiónde una estructura cristalina, conservan lascaracterísticas generales de toda la red.

Por simple traslación de la celda unitaria, puedeconstruirse el sólido cristalino completo.

1144

El ordenamiento atómico

En una celda unitaria, se denominan parámetros de red a las longitudes de las aristas y a losángulos entre aristas.

1155

Características de los sistemas cristalinosSistema cristalino

Cúbico

Tetragonal

Ortorrómbico

Hexagonal

Romboédrico

Monoclínico

Triclínico

Longitud de aristas

L1 = L2 = L3

L1 = L2 ≠ L3

L1 ≠ L2 ≠ L3

L1 = L2 ≠ L3

L1 = L2 = L3

L1 ≠ L2 ≠ L3

L1 ≠ L2 ≠ L3

Ángulos entre aristas

α1 = α2 = α3 = 90º

α1 = α2 = α3 = 90º

α1 = α2 = α3 = 90º

α1 = α2 = 90º ; α3 = 120º

α1 = α2 = α3 ≠90º

α1 = α2 = 90º ; α3 ≠ 90º

α1 ≠ α2 ≠ α3 ≠ 90º

Es interesante que sus alumnos, enpequeños grupos:

• Elijan un metal de la tabla periódica yconstruyan, mediante esferas demadera y conectores, la celda unitariacorrespondiente.

• Investiguen los procesos de obtencióndel metal elegido, sus principalescaracterísticas físicas y mecánicas, y,también, sus aplicaciones más impor-tantes. Le recomendamos queincentive la investigación bibliográficay no sólo a través de Internet; esta últi-ma debe ser una herramienta más debúsqueda, pero no la única.


Las estructuras cristalinas reales no son perfectas sino que contienen defectos, los cuales ejer-cen gran influencia en el comportamiento de los materiales.

Observando cada celda unitaria, vemos quela disposición de los átomos varía según lasdistintas direcciones. Esto genera que unacelda unitaria tenga diferentes propiedadesmecánicas en distintas direcciones.

Esta variación en la disposición atómica enfunción de la dirección, origina los conceptosde isotropía y anisotropía.

• Un material es iissoottrróóppiiccoo cuando suspropiedades son iguales en todas lasdirecciones.

• Un material es aanniissoottrróóppiiccoo cuando laspropiedades varían según la dirección.

Como ejemplo, diremos que de acuerdo a loexplicado más arriba, se deduce que una

celda unitaria es anisotrópica; pero, si consi-deramos muchas celdas unitarias unidas enforma azarosa, el conjunto se comporta iso-trópicamente.

Otro ejemplo de anisotropía son los meta-les laminados. En ellos, los cristales sealargan en la dirección de laminación;resulta así un material anisotrópico, ya quelas propiedades mecánicas no son igualesen dirección paralela y perpendicular a lade laminación.

La madera es otro ejemplo de material aniso-trópico; se comprueba fácilmente que laresistencia mecánica en dirección paralela alas fibras es mayor que en dirección perpen-dicular a éstas.

1166

Isotropía y anisotropía

Defectos en las estructuras cristalinas

Los ddeeffeeccttooss ppuunnttuuaalleess son:

VVaaccaanncciiaa.. Falta de un átomo en un sitio de lared que debería estar ocupado.

IInntteerrssttiicciiaall.. Existe un átomo en un sitio de lared, que debería estar vacío.

Como ejemplo, diremos que, en los aceros, elcarbono entra en forma intersticial en la redcristalina del hierro.

SSuussttiittuucciioonnaall.. Un átomo de un elementoocupa un sitio de la red que debería estarocupado por un átomo de otro elemento.

DDeeffeeccttoo FFrreennkkeell.. Es un defecto formado,conjuntamente, por una vacancia y por unintersticial. Un ión se moviliza a un lugarintersticial, quedando una vacancia en elsitio original.

DDeeffeeccttoo SScchhoottttkkyy.. Está formado por un parde vacancias de iones de carga opuesta. Estedefecto es propio de materiales cerámicos.

Los defectos puntuales modifican la estructuracristalina circundante, generando obstáculospara el movimiento de dislocaciones; de estaforma, los defectos puntuales aumentan laresistencia del metal.

Las vacancias, los átomos intersticiales ysustitucionales intervienen en los procesosdifusivos en metales; a su vez, los procesosdifusivos tienen muchísimas aplicacionesprácticas, como vamos a ir presentandomás adelante.

Consideremos, ahora, un segundo grupo, elde los ddeeffeeccttooss lliinneeaalleess.

1177

DDiissllooccaacciióónn ddee bboorrddee.. Se genera debido a laexistencia de un semiplano adicional de áto-mos. La línea inferior del semiplano agregado,es la dislocación de borde. El cristal está defor-mado en la zona cercana a la dislocación.

DDiissllooccaacciióónn ddee ttoorrnniilllloo.. Si en un cristal per-fecto efectuamos un corte parcial ydesplazamos una porción del cristal respectode la otra, se obtiene una dislocación de tor-nillo. Así, se forma una rampa en forma dehélice; la dislocación es el eje x.

DDiissllooccaacciióónn mmiixxttaa.. Es una combinación de ladislocación de borde y la de tornillo.

Identifiquemos, ahora, ddeeffeeccttooss ssuuppeerrffiicciiaalleess.

SSuuppeerrffiicciiee ddeell mmaatteerriiaall.. Las superficies exterio-res son zonas en donde el ordenamiento

atómico está modificado. La superficie contiene,además, pequeñas fisuras y puede ser atacadamás fácilmente por elementos reactivos.

BBoorrddeess ddee ggrraannoo.. Definimos como grano auna parte del material que tiene celdas unita-rias con la misma orientación. El defectoconocido como “borde de grano” es la super-ficie que limita los distintos granos. En losbordes de grano, no se conservan los pará-metros de red correspondientes y, por lotanto, constituye una zona de desorden.

El tamaño de los granos influye en la resisten-cia del material; A menor tamaño de grano, elmaterial es más resistente; esto se debe a quelos límites de grano son obstáculos para elmovimiento de las dislocaciones. Con granospequeños, las dislocaciones pueden moversepoca distancia antes de alcanzar el borde degrano y la resistencia del material aumenta.

AAppiillaammiieennttoo.. Se genera debido a un malordenamiento de los planos atómicos. Porejemplo, una estructura cúbica centrada enlas caras, se obtiene mediante el apilamientoABCABCABC de esferas; pero, puede sucederel apilamiento ABCACCABCABC, en el queaparece un plano C donde debería existir unplano B; esto es un defecto de apilamiento.

1188

MMaaccllaa.. Es un sector, dentro de un grano quetiene una orientación levemente diferenterespecto del grano mismo. Las maclas pue-den formarse durante el crecimiento delcristal; pero, también pueden aparecer pordeformación o por tratamientos térmicos.

En tecnología de los materiales resulta impres-cindible considerar las consecuencias de laexistencia de defectos; porque éstos, ya seanpuntuales, lineales o superficiales, alteran elordenamiento en la estructura cristalina.

Las dislocaciones se crean al iniciarse la for-mación del cristal (durante la solidificación)y, también, se generan a través de las defor-maciones permanentes o plásticas, aplicadasen el trabajado mecánico. El estudio com-pleto de las dislocaciones es complejo peroimprescindible; porque, muchas de las pro-piedades mecánicas de los materiales –comoson los módulos elásticos, las deformacionesplásticas, el endurecimiento con elementosaleantes y tratamientos térmicos, y las pro-piedades de endurecimiento por trabajado–dependen del movimiento de dislocaciones,de la interacción entre dislocaciones, y de lainteracción entre dislocaciones con losdefectos puntuales y superficiales. Por otraparte, los defectos puntuales, lineales ysuperficiales, dificultan la movilidad de los

electrones y, por tanto, aumentan la resisten-cia eléctrica del metal.

Los cristales serían mucho más resistentes sino existieran las dislocaciones. Al deformarun material, las dislocaciones se mueven.Entonces, todo aquello que impide el movi-miento de las dislocaciones, contribuye aaumentar la resistencia del material.

Surgen, entonces, distintas posibilidades paraaumentar la resistencia de los materiales.

1199

Maclas en granos metálicos Movimiento de una dislocación de borde

Movimiento de una dislocación de tornillo

Aumento en laresistencia demateriales

Endurecimiento por tamaño de grano

Endurecimientopor solución sólida

Endurecimiento por trabajadomecánico o deformación en frío

EEnndduurreecciimmiieennttoo ppoorr ttaammaaññoo ddee ggrraannoo.. Losbordes de grano son obstáculos para elmovimiento de dislocaciones, ya que sonzonas que presentan desorden en laestructura. Por consiguiente, como men-cionábamos, al reducir el tamaño de granode un material, se incrementa la resisten-cia de éste.

EEnndduurreecciimmiieennttoo ppoorr ssoolluucciióónn ssóólliiddaa.. Losátomos extraños (intersticiales o sustitucio-nales) son obstáculos para el movimiento de

las dislocaciones. Ésta es la base conceptualdel endurecimiento por solución sólida.

EEnndduurreecciimmiieennttoo ppoorr ttrraabbaajjaaddoo mmeeccáánniiccoo ooddeeffoorrmmaacciióónn eenn ffrrííoo.. Las deformaciones en fríogeneran dislocaciones; luego de una deforma-ción en frío, el número de dislocaciones haaumentado. Una característica del trabajo enfrío, es que el metal se hace más difícil de defor-mar (y más frágil) a medida que progresa ladeformación; la razón es que una dislocaciónobstaculiza el movimiento de otra dislocación.

2200

Los metales pueden trabajarse en caliente oen frío. Le proponemos analizar las siguien-tes cuestiones con su grupo de alumnos:

• Se logra una pieza con mejor precisióndimensional, ¿trabajando en frío o encaliente? ¿Por qué?

• Queda más tensionado y frágil un metaltrabajado, ¿en frío o en caliente? ¿Por qué?

• La terminación superficial es mejor,¿trabajando en frío o en caliente?¿Por qué?

• ¿Cuándo se requiere mayor energíamecánica para deformar un metal?¿Trabajando en frío o en caliente?¿Por qué?


La difusión es una herramienta para la inves-tigación de la estructura de los metales y losdefectos de estructuras cristalinas, entre otrascosas. Veamos de qué se trata...

Si llenamos con cuidado un recipientecon dos líquidos miscibles de diferentedensidad, vamos a observar que la super-ficie de separación –nítida, al comienzo

del experimento– desaparece con el pasodel tiempo. Finalmente, todo el líquidoes homogéneo.

Este fenómeno tiene lugar, aún cuando noexista agitación; es muy lento, se denomi-na difusión y consiste en que el sistematiende a nivelar las concentraciones enforma espontánea.

Difusión

2211

En forma genérica, se denomina ddiiffuussiióónn alproceso de nivelación exacto de la concen-tración (En forma rigurosa, esto no es exacto,ya que la verdadera razón que origina elmovimiento de las partículas durante la difu-sión no es la diferencia de concentracionessino la diferencia de potenciales químicos).

La difusión también ocurre en los cuerpossólidos; pero, es más lenta que en los líqui-dos y más aún que en los gases.

La difusión es un proceso que se realiza graciasal desplazamiento a escala atómica de diferen-tes partículas, como ser moléculas, iones yátomos; es muy común en materiales sólidos,ya que se produce en metales puros, aleaciones,óxidos, compuestos intermetálicos, dieléctricosy semiconductores, desempeñando un papelimportante en las transformaciones de fase, enla generación de soluciones sólidas y en la aglu-tinación de materiales en polvo.

El primer experimento científico para estu-diar la difusión en un cuerpo sólido esrealizado en 1896 por el metalurgista inglésRobert Austen: Soldó un disco fino de oro aun cilindro de plomo y colocó ese “par difu-sivo”, en un horno a 200 ºC durante 10 días.Finalmente, observó que el oro y el plomo seinterpenetraban mutuamente.

En el mecanismo de intercambio simple, dosátomos vecinos intercambian sus lugares; laprobabilidad de que ocurra este proceso esrelativamente pequeña.

En el mecanismo de intercambio cíclico, unconjunto de átomos se traslada, intercam-biando posiciones entre sí.

En el mecanismo de vacancias, un átomodeja su sitio y pasa a ocupar la posición deuna vacancia.

En el mecanismo intersticial simple, unátomo pasa de un sitio intersticial a otro sitiointersticial vecino.

En el mecanismo intersticial de desplazamiento,un átomo intersticial desplaza a un átomo de unnodo de la red cristalina y ocupa su sitio; elátomo desplazado del nodo, pasa a ocupar unsitio intersticial y echa al vecino siguiente, y asísucesivamente; en el intersticio siempre seencuentra un nuevo átomo.

El craudión es un conjunto compactado deátomos, debido a la existencia de un átomode más en la fila. El mecanismo de difusióncraudiónico, se basa en que cada átomo sedesplaza un poco, a la vez que se traslada elconjunto completo.

1. Mecanismo de intercambio simple.2. Mecanismo de intercambio cíclico.3. Mecanismo de vacancias.4. Mecanismo intersticial simple.5. Mecanismo intersticial de desplazamiento.6. Mecanismo craudiónico.

Mecanismos de difusión

Fuente: Bokshtein, B.S. Difusión de metales.Hyspamerica. Barcelona

Comencemos con algunas definicionesimportantes.

FFaassee.. Porción homogénea del material. Losdiferentes granos de una misma fase tienenigual estructura cristalina y composición quí-mica; pero, difieren en la orientacióncristalográfica. Las distintas fases puedensepararse entre sí.

CCoommppoonneenntteess.. Distintos elementos que for-man la fase. Los elementos de la tablaperiódica (hierro, níquel, etc.) son compo-nentes; pero, también lo son los compuestos

con estequiometrías definidas como los óxi-dos, sales o compuestos intermetálicos.

DDiiaaggrraammaass ddee ffaassee.. Gráficos (trazadosexperimentalmente, en laboratorio) quemuestran las distintas fases existentes enun sistema. Estos diagramas se trazan encondiciones de equilibrio; por lo tanto,son válidos cuando el sistema estudiadoestá en equilibrio. Equilibrio significa quelos enfriamientos son muy lentos y que,por lo tanto, los átomos tienen tiemposuficiente para acomodarse en los sitios demenor energía.

Los diagramas de fase se clasifican sobre labase del número de componentes; tene-mos, entonces: diagramas unitarios (uncomponente), diagramas binarios (doscomponentes), diagramas ternarios (trescomponentes) y, así, sucesivamente.

Vamos a centrar nuestro estudio solamen-te a diagramas binarios, los que nosindican las fases presentes en el sistema(en equilibrio), en función de la tempera-tura y de la composición.

El trazado de diagramas de fase se facili-ta mediante ciertas reglas. Entre ellas,profundizaremos en la RReeggllaa ddee llaass ffaasseessddee GGiibbbbss que enuncia que: El máximonúmero de fases P que puede coexistiren una aleación o sistema químico, másel número de grados de libertad F, es

2222

DIAGRAMAS DE FASE4.

Granos de zinc (una fase)

Ferrita y perlita (2 fases)

igual a la cantidad de componentes Cdel sistema más 2.

Es decir que:

P + F = C + 2

Los grados de libertad F son las variablesindependientes que se pueden controlar: latemperatura, la presión y la composición.

Sin embargo, como en la mayoría de loscasos se trabaja a presión atmosférica, la can-tidad de grados de libertad del sistema sondos: temperatura y composición. Con estaúltima consideración, la regla de las fasespuede reescribirse como:

P + F = C + 1

A modo de ejemplo, vamos a aplicar la expre-sión anterior a un metal puro. Si queremosconocer en qué condiciones coexisten las faseslíquida y sólida de dicho metal, tenemos:

• P = 2 (Ya que son dos fases, líquida y sólida).

• C = 1 (Hay un solo componente, que es el

metal en estudio).

Resulta que F = C + 1 – P; y, reemplazando

valores tenemos: F = 1 + 1 - 2; F = 0.

Como F = 0, significa que no tenemos gradosde libertad y que, en consecuencia, no pode-mos “elegir” la temperatura de coexistenciade las fases líquida y sólida del materialmetálico estudiado (Recordemos que el otrogrado de libertad, la composición, ya loadoptamos, dado que elegimos un metalpuro para el estudio).

Consideremos, entonces, los diagramas defase binarios.

Hay diversos tipos de diagramas binarios sim-ples. Vamos a estudiar los más usuales, que son:

11.. Diagramas binarios de solubilidad totalal estado sólido.

22.. Diagramas binarios de solubilidadparcial al estado sólido.

33.. Diagramas binarios de insolubilidadtotal al estado sólido.

44.. Diagramas binarios eutectoides.55.. Diagramas binarios peritécticos.66.. Diagramas binarios complejos.

A través del estudio de diagramas binarios sim-ples, podremos encarar posteriormente el estudiode diagramas binarios más complejos. Un caso degran importancia práctica es el diagrama binariohierro-carbono, mediante el cual podremos estu-diar y comprender los aceros y fundiciones,materiales metálicos de vital importancia.

2233

Al igual que las soluciones líquidas, talescomo un té azucarado, existen solucionesmetálicas al estado sólido. El metal que

está en mayor proporción, se denominasolvente y el que está en menor propor-ción se llama soluto.

1. Diagramas binarios de solubilidad total al estado sólido

Hay dos tipos de soluciones sólidas:

• sustitucionales,• intersticiales.

En una ssoolluucciióónn ssóólliiddaa ssuussttiittuucciioonnaall, los áto-mos de soluto reemplazan a los de solvente;estas soluciones se forman entre átomos quetienen un tamaño similar.

En una ssoolluucciióónn ssóólliiddaa iinntteerrssttiicciiaall, los áto-mos de soluto ocupan sitios intersticiales enla red del solvente; estas soluciones se for-man entre metales que tienen un tamaño deátomo bastante diferente.

Como en todo diagrama de fases binario, en eleje vertical se representan temperaturas y, en eleje horizontal, se indican composiciones.

El eje vertical izquierdo representa el dia-grama de fases para el metal A puro,siendo Ta la temperatura de fusión delmetal A. Por encima de Ta, el metal A estáen estado líquido; por debajo de Ta, dichometal está en estado sólido.

El eje vertical derecho representa el dia-grama de fases para el metal B puro. Tb esla temperatura de fusión.

Hay dos curvas importantes, denominadas líqui-dus y solidus. Por encima de la curva líquidus, elsistema (cualquiera sea su composición) estará

2244

Solución sólida sustitucional

Solución sólida intersticial Diagramas de solubilidad sólida total

La RReeggllaa ddee llaa ppaallaannccaa, aplicable a todocampo de dos fases, permite determinar lascantidades relativas de las fases que coexistena una cierta temperatura. No expondremos ladeducción, sino que mostraremos su aplica-

ción mediante un ejemplo: Si en una aleaciónde composición inicial Ci, queremos deter-minar las cantidades relativas de líquido ysólido a la temperatura de interés T1, proce-demos del siguiente modo:

en estado líquido. Por debajo de la curva solidus,el sistema (cualquiera sea su composición) esta-rá en estado sólido. Entre las curvas liquidus ysolidus, el sistema estará formado por una mez-cla de fases líquida y sólida.

La intersección de una isoterma T1 con las curvasliquidus y solidus, nos indica la composición dellíquido CL(T1) y del sólido CS(T1), los cualesestán en equilibrio a la temperatura mencionada.La línea horizontal se denomina línea de unión.

2255

Composición en equilibrio de un sólido y un líquido

Regla de la palanca

En este tipo de sistemas, los dos metales A yB son solubles al estado sólido solamentepara ciertas composiciones. La solubilidadexiste en las zonas cercanas a los respectivosejes verticales; las soluciones sólidas sondenominadas α y β.

• La solución sólida a tiene la estructu-ra cristalina del metal A (solvente) en

la cual hay disueltos átomos del metalB (soluto).

• La solución sólida β tiene la estructuracristalina del metal B (solvente) en la cualhay disueltos átomos del metal A (soluto).

Por otra parte, en la zona central del diagra-ma coexisten las fases α y β.

Estos sistemas binarios tienen la forma:

Se traza una línea de unión a la temperaturaT1, que corta a las curvas liquidus y solidus,

obteniéndose los puntos A y C. La aplicaciónde la regla de la palanca, indica que:

Así, por simple medición de la longitudde los segmentos en cuestión, determi-

namos los porcentajes de fase sólida ylíquida.

2266

Porcentaje de fase sólida = (AB / AC) . 100Porcentaje de fase líquida = (BC / AC) . 100

2. Diagramas binarios de solubilidad parcial al estado sólido

• La curva liquidus está dada por los puntosTa. E . Tb.

• La curva solidus está dada por los puntosTa. C . E . D . Tb.

• Las curvas CF y DG se denominan solvus.

En los diagramas con solubilidad parcial alestado sólido, existe un punto característi-co, denominado punto eutéctico (E). Elpunto eutéctico se caracteriza por teneruna composición definida (composicióneutéctica) y una temperatura de fusióndefinida al igual que los metales puros(temperatura eutéctica).

Una aleación cuya composición es menor a laeutéctica, se denomina hipoeutéctica; si lacomposición es mayor a la eutéctica, la alea-ción es hipereutéctica.

Cuando un líquido de composición eutécticasolidifica, se forman dos fases sólidas α y β:

En este caso, no existe ninguna solución aestado sólido. Por lo tanto, los dos metales Ay B solidifican en forma separada, encontrán-dose capas puras del metal A y capas purasdel metal B en forma alternada.

La curva liquidus está determinada por lospuntos Ta . E . Tb; mientras que la curvasolidus está determinada por los puntosC.E.D. Nuevamente, el eutéctico corres-ponde al punto E.

Estos sistemas binarios tienen la forma:

2277

3. Diagramas binarios de insolubilidad total al estado sólido

2288

En una transformación eutectoide, una fasesólida γ que se enfría, se transforma en dosfases sólidas α y β; y, durante el calentamien-to, la reacción es la inversa.

La reacción eutectoide puede escribirse:

Los diagramas binarios eutectoides, se caracterizan por tener un punto denominado eutectoide (punto E).

4. Diagramas binarios eutectoides

El siguiente es un diagrama binario con una transformación peritéctica:

5. Diagramas binarios peritécticos

La reacción peritéctica (punto P), resulta así:

2299

Resultan de la combinación de algunos de los diagramas simples ya explicados.El siguiente es un ejemplo.

6. Diagramas binarios complejos


A partir del diagrama, susalumnos pueden:

• Determinar la tempe-ratura de fusión de losmetales puros.

• Determinar, para unaaleación de 50 % dezinc y 200 ºC, cuálesson las fases pre-sentes, su composicióny la cantidad porcen-tual de cada fase.

• Repetir el punto ante-rior para una aleaciónde 70 % de zinc y 400 ºC.

Porcentaje en peso de zinc

Una clasificación muy común para los ensa-yos, es dividirlos en ensayos científicos yensayos de control-verificación.

Los eennssaayyooss cciieennttííffiiccooss deben realizarsecon absoluto cuidado y precisión, a fin deobtener los valores más exactos posibles depropiedades desconocidas del material.Los valores obtenidos de los ensayos cien-tíficos suelen ser usados en diversasaplicaciones tecnológicas.

Los eennssaayyooss ddee ccoonnttrrooll--vveerriiffiiccaacciióónn se utili-zan para determinar si una determinadamuestra extraída de un lote, cumple con los

requisitos esperados por los diseñadores opor las especificaciones de compras.

Una segunda clasificación considera ensayosde campo y ensayos de laboratorio.

Los eennssaayyooss ddee ccaammppoo se efectúan a aque-llos componentes que no pueden sertrasladados al laboratorio; por ejemplo:grandes estructuras metálicas o civiles, cal-deras, puentes, etc. Debido a lasdificultades en las condiciones de trabajo,los ensayos de campo son, en general,menos precisos que los eennssaayyooss ddee llaabboorraa--ttoorriioo. Sin embargo, se debe mencionar quehay ensayos que, por su simpleza, puedenrealizarse con igual precisión tanto encampo como en laboratorio.

Una tercera clasificación se produce al dividira los ensayos en destructivos y no destructi-vos. En los eennssaayyooss ddeessttrruuccttiivvooss, el materialse destruye durante el ensayo y, por lo tanto,no puede ser usado posteriormente. En loseennssaayyooss nnoo ddeessttrruuccttiivvooss, el material no sedestruye durante el ensayo y, entonces,puede ser utilizado posteriormente.

Todos estos ensayos están normalizados. Lasnormas son de vital importancia para realizar

3300

Los ensayos tienen como objetivo determinar las propiedades de los materia-les. Los ensayos de materiales se aplican a materiales metálicos; pero,también, por supuesto, a las otras categorías de materiales (polímeros, cerá-micos, etc.).

ENSAYOS DE MATERIALES5.

los ensayos, ya que establecen los procedi-mientos para su realización. Algunas de lasventajas que brinda el empleo de normas,son las siguientes:

• Permiten comparar resultados de ensa-yos obtenidos en diferentes laboratorios.

• Evitan confusiones y malos entendidos.• Simplifican la preparación de especifi-

caciones técnicas.• Permiten la obtención de productos

más uniformes.• Brindan confianza a los usuarios.• Reducen costos.

Las normas de uso más habitual en la indus-tria son:

• IIRRAAMM:: Instituto Argentino deNormalización.

• IISSOO:: International Organization forStandardization.

• AASSTTMM:: American Society for Testing andMaterials.

• BBSSII:: British Standards Institution.• AANNSSII:: American National Standards

Institute.• DDIINN:: Deutsches Institut Für Normung.

3311

AAllgguunnooss ccoonncceeppttooss ccllaavvee

EEllaassttiicciiddaadd.. Un material está en el período elás-tico cuando, al quitar las cargas actuantes, lasdeformaciones desaparecen totalmente y elmaterial recobra sus dimensiones originales.

PPllaassttiicciiddaadd.. Un material está en el períodoplástico cuando, al quitar las cargas actuan-tes, queda con cierta deformación permanentey, por lo tanto, no recobra sus dimensionesoriginales.

DDuuccttiilliiddaadd.. Un material es dúctil cuando sufregran deformación antes de llegar a la rotura.

FFrraaggiilliiddaadd.. Un material es frágil cuando sufre nulao mínima deformación antes de llegar a la rotura.

MMaalleeaabbiilliiddaadd. Un material es maleable cuandopuede ser reducido a hojas o láminas del-gadas, mediante la acción de un martillo, deuna prensa hidráulica o de un laminador.

TTeennaacciiddaadd.. Un material es tenaz cuando serequiere gran energía para que llegue a la rotura.

DDuurreezzaa.. Resistencia que ofrece un material, aser rayado o penetrado por otro.


Se sugiere que los alumnos formen grupos y se contacten con IRAM. Cada grupopodrá acceder a la norma correspondiente a un ensayo particular (tracción, dureza,etc.), la analizará y realizará una exposición en clase.

El ensayo de tracción es el más utilizado detodos los ensayos mecánicos; consiste enaplicar a una pieza de eje recto, en forma len-tamente creciente, dos fuerzas en la direccióndel eje que tienden a producir el alargamien-to de la pieza.

El ensayo de tracción se realiza en las deno-minadas máquinas “universales”, que

permiten efectuar varios tipos de ensayos(compresión, flexión, etc.).

La probeta se sujeta, mediante dispositi-vos, a los cabezales de la máquina. Uncabezal de la máquina es fijo y el otro esmóvil; este último es el que permite elalargamiento de la probeta hasta llegar ala rotura.

3322

Ensayo de tracción

Una pprroobbeettaa es una muestra de un producto industrial o manufacturado, que se saca de un lote para sersometida a pruebas mecánicas, análisis químicos u otros ensayos.

Las probetas que se utilizan en los ensayos de materiales pueden ser industriales o normalizadas.

Las probetas industriales pueden tener cualquier forma; incluso, puede tratarse de la misma pieza en estudio.

Las probetas industriales se usan sólo en ensayos de control-verificación.

Las probetas normalizadas se caracterizan por tener sus dimensiones principales establecidas por norma;se usan en ensayos de investigación y, también, en ensayos de control-verificación.

Al realizar el ensayo, se obtiene un gráfico dela máquina que nos indica la carga o fuerzaaplicada (P) en función del alargamiento dela probeta (∆l).

Mediante un simple cambio de escalas, sepuede convertir el gráfico P-∆l en un gráficode tensiones (σ) versus alargamientos especí-ficos (ε).

Teniendo en cuenta que:

• So es la sección inicial.• Lo es la longitud inicial.• Lf es la longitud final.

El cambio de escalas se realiza de lasiguiente forma:

3333

Esquema de máquina universal

A partir del diagrama, se efectúan ciertasdeterminaciones características de las propie-dades mecánicas del material:

• Módulo de elasticidad longitudinal omódulo de Young.

• Tensión al límite de propor-cionalidad.

• Tensión al límite de fluencia superior.• Tensión al límite de fluencia inferior.• Tensión máxima o resistencia estática a

la tracción. • Tensión de rotura convencional.• Alargamiento porcentual.• Estricción porcentual.

MMÓÓDDUULLOO DDEE EELLAASSTTIICCIIDDAADD LLOONNGGIITTUUDDIINNAALL OO

MMÓÓDDUULLOO DDEE YYOOUUNNGG ((EE)).. Es una constante paracada material y da idea de la rigidez de éste;a mayor E, el material es más rígido.Geométricamente, el módulo E se obtienecomo la tangente del ángulo α.

TTEENNSSIIÓÓNN AALL LLÍÍMMIITTEE DDEE PPRROOPPOORRCCIIOONNAALLIIDDAADD ((σσpp)).Está indicada en el gráfico, por el punto 1. El lími-te de proporcionalidad se llama así porque endicho punto finaliza la parte recta del gráfico. Esdecir que, en el límite de proporcionalidad, deja decumplirse la ley de Hooke y a, partir de allí, las ten-siones no son proporcionales a las deformaciones.

En los aceros, se considera que el límite deproporcionalidad coincide con la finalizaciónde la zona de comportamiento elástico. Estono es rigurosamente cierto, ya que no siemprela tensión al límite de proporcionalidad coin-cide con la tensión al límite de elasticidad; sinembargo, el error cometido al hacer tal suposi-ción, es pequeño.

La tensión al límite proporcional, se calculadel siguiente modo:

3344

Diagrama de tracción para un acero

La ley de Hooke establece que en elperíodo elástico, las tensiones sondirectamente proporcionales a lasdeformaciones. Matemáticamente,se expresa de la siguiente manera:

σ = E . ε

Donde:

• σσ es la tensión.

• ε es la deformación específica.

• E es el módulo de elasticidad

longitudinal, que es constante

de proporcionalidad.

TTEENNSSIIÓÓNN AALL LLÍÍMMIITTEE DDEE FFLLUUEENNCCIIAA SSUUPPEERRIIOORR ((σσffss))..Está indicada en el gráfico por el punto 2.Durante el período de fluencia, se producenimportantes deformaciones de la probeta, sinvariaciones apreciables de la carga.

La tensión al límite de fluencia superior se calcula:

TTEENNSSIIÓÓNN AALL LLÍÍMMIITTEE DDEE FFLLUUEENNCCIIAA IINNFFEERRIIOORR ((σσffii))..Está indicada en el gráfico por el punto 3. Latensión al límite de fluencia inferior es:

TTEENNSSIIÓÓNN MMÁÁXXIIMMAA OO RREESSIISSTTEENNCCIIAA EESSTTÁÁTTIICCAA AA LLAA

TTRRAACCCCIIÓÓNN ((σσEETT)).. Está indicada en el gráfico porel punto 4. Se define como el cociente entre lacarga máxima y la sección inicial de la probeta:

TTEENNSSIIÓÓNN DDEE RROOTTUURRAA CCOONNVVEENNCCIIOONNAALL ((σσRR)).. Estáindicada en el gráfico por el punto 5. Se defi-ne como el cociente entre la cargaconvencional de rotura y la sección inicial dela probeta:

Si observamos el gráfico, vemos que latensión de rotura convencional (σR) esmenor que la tensión máxima (σET), locual parece incoherente. La causa de laaparente incoherencia es que, en el gráfi-co anterior, las tensiones fueroncalculadas respecto a la sección inicialSo; sin embargo, en la realidad, se pro-duce un cuello en la probeta y lastensiones deberían calcularse basándoseen las secciones instantáneas.

Es así que tenemos un diagrama conven-cional y uno real, según calculemos lastensiones con la sección inicial o con lainstantánea, respectivamente.

3355

La tensión de rotura real se calcula como elcociente entre la carga real de rotura y la sec-ción real de rotura; esta última se mide en laprobeta fracturada.

Además, a partir del ensayo de tracción secalculan otros parámetros; a saber:

AALLAARRGGAAMMIIEENNTTOO PPOORRCCEENNTTUUAALL

EESSTTRRIICCCCIIÓÓNN PPOORRCCEENNTTUUAALL

Tanto el alargamiento como la estricción, sonmedidas que nos indican la ductilidad delmaterial ensayado.

De acuerdo con la ductilidad del material,obtenemos los siguientes tipos de fracturas:

Es importante distinguir cuál es la zona decomportamiento elástico y cuál es la zona decomportamiento plástico.

• Si estamos en la zona de comportamien-to elástico y quitamos la carga, la probetarecobra sus dimensiones originales.

• En cambio, si estamos en la zona decomportamiento plástico (por ejemplo,en el punto A) y quitamos la carga, laprobeta queda con una deformaciónplástica permanente (∆p) mientras quela deformación elástica (∆e) desaparece.

3366

Cabe destacar que la recta AB que indica ladescarga, es paralela a la recta del períodoproporcional.

Los ensayos de tracción también pueden realizar-se a altas temperaturas. A tal fin, la probeta se

coloca en un pequeño horno y se efectúa el ensa-yo a la temperatura deseada. En general, alaumentar la temperatura de ensayo, se verificaque disminuye la resistencia y que aumenta laductilidad.

Hemos definido la tenacidad como la energíanecesaria para que un material alcance larotura. El área total bajo la curva de un ensa-yo de tracción, representa la tenacidad.

No todos los materiales presentan gráfi-cos de la forma que hemos considerado.A continuación, mostramos algunosejemplos:

3377

Ensayos de tracción a distintas temperaturas

Ensayo de tracción para distintos materiales

3388

Puede resultarle interesante analizar enclase estas cuestiones:

• Si el material A tiene mayor resistenciaestática a la tracción que el materialB, ¿se debe cumplir necesariamenteque el material A tiene mayor módulo Eque el material B? Dibujen la situaciónen un gráfico tensión-deformación.

• Un material frágil, ¿tendrá fluencia?¿Por qué?

• ¿Cómo determinarían la tensión defluencia en un material frágil?

• El hierro tiene un módulo de elasticidadtres veces mayor que el aluminio. En ungráfico tensión-deformación, repre-senten cualitativamente los períodoselásticos de ambos metales.

• Una fuerza de 18000 newton aplicadaa una barra de 0,9 cm2 de sección, legenera un alargamiento de 9 cm a9,05 cm. Calculen el módulo de elasti-cidad del material.

• A una barra metálica de 180 mm2 desección se le aplica una fuerza de87000 newton. La tensión de fluenciadel material es de 375 Mpa. La barra,¿sufrirá deformación plástica?Justifiquen las razones.

• Una probeta se ensayó a tracciónsegún los siguientes datos: diámetroinicial: 10 mm; diámetro final: 9 mm;longitud calibrada inicial: 15 cm; lon-gitud calibrada final: 17,3 cm.Determinen el alargamiento porcen-tual y la estricción porcentual.


Este ensayo se realiza, generalmente, enmateriales frágiles, como fundiciones y hor-migones (en este último caso, el ensayo seefectúa a los 28 días de fabricada la probeta).Por supuesto, es posible realizar ensayos decompresión a materiales dúctiles; estos mate-riales suelen tener una resistencia similar,tanto a compresión como a tracción.

El ensayo de compresión también se apli-ca a maderas.

Recordemos que los materiales frágilesrompen con nula o mínima deforma-ción, y que los materiales dúctiles(aluminio, cobre, etc.) rompen con grandeformación.

Ensayo de compresión

En el ensayo de compresión, se aplican car-gas estáticas a la probeta, en la dirección desu eje longitudinal; durante el ensayo, la pro-beta tiende a acortarse.

Al ensayar materiales dúctiles, debido alrozamiento existente entre los platos de lamáquina y la probeta, esta última general-mente no se rompe pero adquiere forma debarril (figura a).

En caso de que se llegue a la rotura del mate-rial ensayado (lo que es habitual en materialesfrágiles), ésta se produce según planos incli-nados a, aproximadamente, 45º o en formade grietas. El hecho de que los planos incli-nados de rotura formen 45º tiene justificaciónteórica, ya que en ellos se producen las máxi-mas tensiones de corte (figura b).

En los ensayos de compresión se deben tenerciertas precauciones con las dimensiones dela probeta, que se normalizan para evitar laaparición de pandeo.

A partir de los diagramas obtenidos del ensa-yo de compresión, se pueden realizar lasdeterminaciones de:

• Tensión al límite de proporcionalidad.• Tensión al límite de aplastamiento.

• Tensión máxima o resistencia estática ala compresión.

• Acortamiento porcentual.• Ensanchamiento porcentual.

TTEENNSSIIÓÓNN AALL LLÍÍMMIITTEE DDEE PPRROOPPOORRCCIIOONNAALLIIDDAADD.. Ellímite de proporcionalidad se llama asíporque, en dicho punto, finaliza la parterecta del gráfico. Es decir que, en el límitede proporcionalidad deja de cumplirse laley de Hooke y, a partir de allí, las tensio-nes no serán proporcionales a lasdeformaciones.

La tensión al límite proporcional se calculadel siguiente modo:

TTEENNSSIIÓÓNN AALL LLÍÍMMIITTEE DDEE AAPPLLAASSTTAAMMIIEENNTTOO.. Esteconcepto es equivalente a la tensión defluencia en un ensayo de tracción. Cabedecir que, en un ensayo de compresión, lafluencia no siempre es fácilmente identifi-cable. La tensión al límite de aplastamientose calcula como:

TTEENNSSIIÓÓNN MMÁÁXXIIMMAA OO RREESSIISSTTEENNCCIIAA EESSTTÁÁTTIICCAA AA LLAA

CCOOMMPPRREESSIIÓÓNN ((σσeecc)).. Se define como el cocienteentre la carga máxima y la sección inicial dela probeta:

3399

Probetas sometidas a compresión

AACCOORRTTAAMMIIEENNTTOO PPOORRCCEENNTTUUAALL EENNSSAANNCCHHAAMMIIEENNTTOO PPOORRCCEENNTTUUAALL

4400

Ensayo de compresión en distintos materialeslos diagramas obtenidos son convencionales, ya que las tensiones se

refieren a la sección inicial de la probeta y no a la sección instantánea

Sus alumnos pueden analizar:

• La diferencia entre un diagrama con-vencional y uno real, ¿es mayor paramateriales frágiles o materiales dúc-tiles? Justifiquen la respuesta.

• La compresión es muy utilizada en pro-cesos de fabricación tales como:recalcado de cabezas de tornillo,

acuñado de monedas y laminado deroscas. ¿Cómo se realizan estas opera-ciones? ¿Qué ventaja fundamentaltienen las roscas laminadas sobre lasmecanizadas?

• El ensayo de compresión también seaplica a ladrillos, maderas y concreto.Justifiquen estas aplicaciones.


4411

Este ensayo seaplica, general-mente, enmetales frágilesy, también, enmaderas y envigas de hormi-gón. Vamos acentrarnos en elestudio del ensa-yo de flexión enmetales.

Este ensayo tam-bién se realiza enlas llamadas máquinas universales. El esque-ma generalmente usado para realizar unensayo de flexión es el siguiente:

En el esquema anterior, los esfuerzos de fle-xión van acompañados por esfuerzos decorte. La influencia de los esfuerzos de cortedisminuye, al incrementarse la luz entre apo-yos; por tal motivo, las probetas estánnormalizadas.

Pero, si queremos ser rigurosos, debemosconsiderar que el esquema de ensayo para

obtener flexión pura (sin esfuerzos de corte)es éste:

La flexión se caracteriza por provocar esfuer-zos de tracción y compresión en formasimultánea:

• La parte de la viga que tiende a alar-garse, está sometida a tracción (parteinferior de la viga en los esquemasanteriores).

• La parte de la viga que tiende a acortar-se, está sometida a compresión (partesuperior de la viga en los esquemasanteriores).

• El eje neutro –también llamado fibraneutra– es aquel que separa las zonas detracción y compresión. Este eje noexperimenta deformaciones (no se alar-ga ni se acorta).

• La superficie que contiene los ejes neu-tros se denomina superficie neutra oplano neutro.

Cuando la probeta es ensayada, el eje neutrose desplaza gradualmente de su posición ori-ginal. Se llama flecha, a la distancia vertical

Le resultará interesanteconocer nuestra publi-cación:• Durán, María Gabriela

(2005) Equipamiento EMA–características físicasde los materiales deconstrucción–. InstitutoNacional de EducaciónTecnológica. BuenosAires.

Su versión digital está dispo-nible en wwwwww..iinneett..eedduu..aarr, enla Serie “Recursos didác-ticos”.

Ensayo de flexión

Ensayo de flexión

Ensayo de flexión

entre la posición original del eje neutro y lassucesivas posiciones que tome dicho eje,medida en el lugar de máxima flexión de la

probeta. La flecha puede ser medida durantela realización del ensayo, a través de un dis-positivo especial llamado flexímetro.

Las determinaciones más importantes de esteensayo son:

• Momento flector o flexor máximo paraviga con carga concentrada el centro.

• Módulo resistente.• Resistencia a la flexión.• Factor de flexión.• Índice de rigidez.

MMOOMMEENNTTOO FFLLEECCTTOORR OO FFLLEEXXOORR MMÁÁXXIIMMOO PPAARRAA VVIIGGAA

CCOONN CCAARRGGAA CCOONNCCEENNTTRRAADDAA EENN EELL CCEENNTTRROO

((MMFFMMAAXX)).. Se calcula como:

siendo P la carga aplicada en el medio de laviga y L la luz entre apoyos

MMÓÓDDUULLOO RREESSIISSTTEENNTTEE ((WWZZ)).. Es el cociente entreel momento de inercia de la sección con res-pecto al eje neutro y la distancia de la fibra másalejada al eje neutro. En caso que la probeta seade sección circular, la fórmula queda:

Las unidades para Wz son mm3, cm3 o cual-quier otra unidad de longitud elevada al cubo.

RREESSIISSTTEENNCCIIAA AA LLAA FFLLEEXXIIÓÓNN ((σσEEFF)).. Es el cociente

4422

entre el momento flector máximo y el módu-lo resistente.

FFAACCTTOORR DDEE FFLLEEXXIIÓÓNN.. Se define como el cocien-te entre la resistencia de flexión (σEF) y laresistencia de tracción (σET).

IINNDDIICCEE DDEE RRIIGGIIDDEEZZ. Se calcula como el cocien-te entre la resistencia a la flexión (σEF) y laflecha de rotura.

Debemos recordar que las determinacionesse efectúan con probetas normalizadas.

4433

Le proponemos que plantee a los alumnos:

• Esquematicen cómo queda una probetade metal frágil ensayada a flexión y cómoresulta una probeta de metal dúctil.

• ¿Por qué motivo el ensayo deflexiónse aplica, entre otras cosas,a vigas de hormigón armado y vigasde madera utilizadas en construc-ciones civiles?


Un alto valor de resistencia estática a la trac-ción o de resistencia de rotura, no indicannecesariamente que ese material sea apropia-do para soportar las cargas en servicio.Recordemos que, en el ensayo de tracción,las cargas son aplicadas en forma lenta y gra-dual; pero que, muchas veces, los elementoso piezas se ven sometidos a tensiones cícli-cas, trabajos a alta temperatura o a cargasaplicadas en forma repentina como, porejemplo, golpes. El problema de impacto,entonces, adquiere relevancia, básicamente,en el diseño de maquinaria con partes móvi-les y pesadas.

Los ensayos de impacto determinan la capaci-dad de un material de soportar cargas aplicadasen forma instantánea; los resultados obtenidossólo se utilizan con fines comparativos con otrosensayos realizados en condiciones idénticas.

El ensayo de impacto nos suministra unaindicación de la fragilidad del material y con-sidera los tres factores que aumentan lafragilidad:

• Alta velocidad de aplicación de la carga.• Bajas temperaturas.• Estado complejo de tensiones (existen-

cia de entallas, cambios bruscos desección, etc.).

Durante el ensayo, una masa que cae de cier-ta altura impacta sobre la probeta conmuesca (entalla). Como resultado, se obtienela energía absorbida por la probeta, cuandoesta probeta es rota de un solo golpe, por unamasa que cae.

Existen dos formas para realizar los ensayosde impacto y son el método Charpy (que es

Ensayo de impacto o choque

el más usado) y el método Izod. En los doscasos, la rotura se produce por flexión de laprobeta, por lo que ésta se llama flexión porchoque.

El mmééttooddoo CChhaarrppyy comenzó utilizándose enAlemania, Francia e Italia, entre otros países

europeos. En este caso, la probeta está sim-plemente apoyada en la máquina. Una masagolpea el centro de la probeta y la rompe deun solo golpe; las normas fijan las velocidadesde impacto como así también las dimensionesde la probeta. La probeta recibe el impacto enel lado opuesto a la entalladura.

4444

Máquina para ensayo de impactose realiza en la llamada máquina péndulo –el brazo dela máquina puede considerarse un péndulo físico–.

Esquema del ensayo Charpy

Se define la resiliencia como el trabajo gasta-do por unidad de sección; o sea que laresiliencia es el cociente entre la energíaabsorbida y el área de la probeta en el planomedio de la entalla. Se mide, así, enjoule/cm2 en una unidad de energía divididapor una unidad de superficie.

Sin embargo, la tendencia es dar los resulta-dos del ensayo expresando solamente laenergía de rotura.

El mmééttooddoo IIzzoodd es originario de los paísesanglosajones (EEUU, Inglaterra). En esteensayo, la probeta se coloca verticalmente enel dispositivo de sujeción de la máquina. Lamasa, al caer, impacta sobre la probeta en lacara que tiene la entalla.

La energía de impacto debe ser suficientepara romper la probeta de un solo golpe. Eneste método, los resultados se expresanmediante la energía absorbida en la rotura.

4455

Esquema del ensayo Izod

Probetas para el ensayo Charpy

El método Charpy ha ido desplazando almétodo Izod, aún en los países anglosajo-nes. Su ventaja es que permite realizarensayos a temperatura distinta de laambiente, con gran facilidad; para lograreste objetivo, sólo es necesario llevar laprobeta a la temperatura de trabajo y,luego, ensayarla rápidamente para que laprobeta no intercambie calor ni con losapoyos ni con el aire. En cambio, en elmétodo Izod, como la probeta está empo-trada, se produce gran intercambio decalor entre probeta y apoyos, lo que hacenecesario que tanto la probeta como eldispositivo alcancen la temperatura de tra-bajo, lo que resulta complejo.

En el ensayo de impacto, podemos considerar:

• Expansión lateral.• Apariencia de fractura.• Temperatura de transición.

EEXXPPAANNSSIIÓÓNN LLAATTEERRAALL.. La acción del impactoproduce flexión y corte en la probeta, tantoen el método Charpy como en el Izod.Hemos visto que la flexión provoca, simultá-neamente, tracción y compresión:

• la zona traccionada se alargará longitu-dinalmente y, por tanto, disminuirá suancho; mientras que

• la zona comprimida se acortará en ladirección del eje de la probeta y seensanchará transversalmente.

Se define la expansión lateral ∆A como ladiferencia entre el mayor ancho en la sec-ción de entalla (Af) y el ancho inicial de laprobeta (Ao).

La expansión lateral también puede expresar-se de la siguiente forma:

AAPPAARRIIEENNCCIIAA DDEE FFRRAACCTTUURRAA.. En el plano de rotu-ra de la probeta, se distinguen dos zonas:una zona dúctil cuyo aspecto es sedoso yopaco, y una zona frágil de aspecto granu-lar y brillante.

El porcentaje de fractura dúctil (%D), se defi-ne como:

TTEEMMPPEERRAATTUURRAA DDEE TTRRAANNSSIICCIIÓÓNN.. Deter-minados materiales (aceros ferríticos,

4466

Expansión lateral

Esquema de una fractura

aleaciones de titanio) se caracterizan por-que la energía absorbida en la rotura

varía fuertemente en función de la tem-peratura de ensayo:

En el gráfico se observa que:

• a temperaturas bajas, la energía absorbi-da es pequeña (zona de fragilidad);

• a temperaturas altas, la energía absorbi-da es grande y el comportamiento delmaterial se califica como dúctil;

• la zona intermedia se denomina zona detransición. Se observa que dicha zonaabarca un rango de temperaturas.

Cabe, entonces, preguntarnos: ¿Cuál es latemperatura de transición?

Hay diversos criterios para definir la tempe-ratura de transición; los más comunes son:

• Temperatura para la cual la energíaabsorbida toma determinado valor.Dicho valor varía según el materialensayado.

• Es la temperatura para la cual la energíaabsorbida es igual al promedio de lasenergías de la zona dúctil y frágil.

• Temperatura para la cual la fractura pre-senta iguales superficies dúctil y frágil(50 % y 50 %, respectivamente).

4477

Resultará interesante que plantee a losestudiantes de su clase:

• ¿Conviene que las piezas trabajen porencima o por debajo de la temperaturade transición? ¿Por qué?

• Mencionen ejemplos de componentessometidos a cargas de impacto.

• Analicemos información sobre elnaufragio del Titanic. Se sorprenderánpor la relación existente entre estacatástrofe y la resistencia al impactodel material con que estaba construidoel casco del buque.


4488

Como definimos anteriormente, la dureza esla resistencia que ofrece un material, a serrayado o penetrado por otro.

Entre las aplicaciones más importantes deeste ensayo, podemos mencionar:

• Control de calidad de materias primas.• Control de calidad de tratamientos tér-

micos• Estimación de la resistencia a la tracción

de aceros. • Estimación de la resistencia al desgaste.

Existen diversos métodos para medir dure-zas; estudiaremos los más habituales.

MÉTODO BRINELL

Es uno de los métodos más utilizados; con-siste en aplicar sobre la pieza o probeta aensayar una carga P (generalmente, 3000kgf) durante un tiempo t, empleando unabolilla (penetrador) de acero duro de diáme-tro (D), generalmente igual a 10 mm.

Se define la dureza Brinell (HB) como elcociente entre la carga aplicada (P) expresa-

da en kgf y el área S de la impronta expre-sada en mm2.

Es decir que:

A través de una deducción matemática, sepuede demostrar lo siguiente:

La expresión anterior permite el cálculo de ladureza Brinell en función de la carga aplica-da P, el diámetro de la bolilla D y el diámetrode la impronta d.

El diámetro de la impronta d surge prome-diando dos valores obtenidos en direccionesperpendiculares entre sí.

Como el diámetro de la impronta debemedirse con 0,01 mm de aproximación, se

Ensayo de dureza

Esquema de un ensayo Brinell

usan microsco-pios con ocularesmicrométricos ocon instrumentossimilares.

Consideremos, ahora, la Ley de semejanzapara el ensayo Brinell.

Si queremos comparar resultados de ensayosBrinell realizados en materiales iguales o dis-tintos, y en diferentes condiciones (cargas,bolillas, espesores), es necesario lograr quelas condiciones de deformación plástica seaniguales en las probetas o piezas ensayadas.

Para un mismo valor de dureza Brinell, obte-nido en diferentes condiciones de ensayo(diámetro de bolilla y carga), se demuestramatemáticamente que:

C es la constante del ensayo.

En forma estricta, los valores de durezaBrinell solamente pueden compararse cuan-do la constante de ensayo C es la misma.

Sin embargo, en la práctica, la norma IRAMfija valores de C para grupos de materiales yla norma ASTM fija valores de C para rangosesperados de dureza.

Para acotar la falta de semejanza, las normasrecomiendan que:

Antes de efectuar el ensayo, debemos selec-cionar los vvaalloorreess ddee llaass ddiissttiinnttaass vvaarriiaabblleesssegún se indica a continuación.

11.. DDeetteerrmmiinnaacciióónn ddee llaa ccoonnssttaannttee ddee eennssaayyoo CC

La norma IRAM 104 establece los siguientesvalores:

C = 30, para aceros y fundiciones. C = 10, para aleaciones de aluminio y cobre. C = 5, para aluminio y cobre. C = 2,5 - 1,25 - 1, para materiales muy blan-dos (plomo, estaño y sus aleaciones).

22.. DDeetteerrmmiinnaacciióónn ddeell ddiiáámmeettrroo ddee llaa bboolliillllaa

La bolilla más usada es la de 10 mm de diá-metro. También se utilizan, aunque enmucha menor medida, bolillas de 5 - 2,5 - 2y 1 mm de diámetro.

Para seleccionar el diámetro de la bolilla,debemos tener en cuenta que el espesorde la probeta sea mayor o igual a 10veces la profundidad de penetración; de

4499

Debemos recordar quelas cargas se expresanen kgf y los diámetrosen mm.

esta manera, nos aseguramos que ladeformación es absorbida íntegramentepor la probeta y no por la máquina deensayo.

Cumpliendo lo anteriormente enunciado, sedeben usar las bolillas del mayor diámetroposible, a fin de facilitar la lectura y de dis-minuir la influencia de la falta dehomogeneidad del material.

33.. DDeetteerrmmiinnaacciióónn ddee llaa ccaarrggaa mmááxxiimmaa

Debemos tener en cuenta que

Esta tabla satisface la relación anterior y nospermite conocer las cargas a emplear en loscasos más frecuentes:

44.. DDeetteerrmmiinnaacciióónn ddeell ttiieemmppoo ddee ppeerrmmaanneenncciiaa ((tt))

El aumento de la carga hasta su valor máxi-mo debe efectuarse sin choques nivibraciones.

El tiempo de aplicación (t) debe asegurar lafinalización del flujo plástico del materialdeformado por la bolilla. Este tiempo varíasegún el material, siendo:

• para aceros y fundiciones, entre 10 y 15segundos;

• para aluminio y sus aleaciones, 30segundos;

• para metales muy blandos –plomo,cinc, etc.–, la carga es aplicada durante3 minutos.

Las ccoonnssiiddeerraacciioonneess ggeenneerraalleess a tener encuenta en el ensayo son:

• El método Brinell no se aplica a mate-riales muy duros, ya que la bolilla sedeforma, distorsionando, así, los resul-tados del ensayo. - Para bolillas de acero duro, los resul-

tados son aceptables hasta 450 HB;algunas normas recomiendan nosuperar los 300 HB.

- Para bolillas de carburo de tungste-no, los resultados son aceptableshasta 630 HB.

• Al realizar el ensayo, las superficies dela probeta estarán limpias de partículas,virutas, aceites, etc.

• La probeta a ensayar tendrá superficiesparalelas y planas, siempre que seaposible.

• Durante el ensayo no existirán movi-mientos relativos entre probeta ymáquina

• La probeta no deberá sufrir calenta-

5500

2,5

5

10

15,6

62,5

250

31,2

125

500

93,75

375

1500

187,5

750

3000

Diámetro debolilla (mm)

Plomo,estaño, etc.

(C = 2,5)

Cobre, aluminio(C = 5)

Aleaciones decobre y aluminio

(C = 15)

Aceros yfundiciones

(C = 30)

miento ni endurecimiento superficialdurante el mecanizado.

• La pieza o probeta a ensayar se apo-yará sobre un soporte limpio, pulidoy rígido.

• La dirección de aplicación de la carga yla superficie de la probeta serán perpen-diculares.

• El diámetro de la impronta surgirá pro-mediando dos valores de diámetros,medidos perpendicularmente entre sí.

• El ensayo se considerará aceptable si0,20 � d/D � 0,60.

• El espesor de la probeta será suficientecomo para que no queden marcas en lacara opuesta a la impronta. Además, elespesor de la probeta será, como míni-mo, de 10 veces mayor al valor de laprofundidad de penetración h.

• El centro de la impronta estará a una dis-tancia mínima de 2,5 . d del borde de laprobeta (excepto, para casos especiales).La distancia mínima entre centros deimprontas será, como mínimo, de 4 d.

Consideremos, ahora, cómo resolver el cálculoy la presentación de los resultados del ensayo.

Para obtener la dureza Brinell, reemplazamoslos valores de P, D y el promedio (d) de losdiámetros de la impronta en la fórmula:

Otra metodología posible para el cálculode la dureza es el empleo de tablas indica-das en las normas. Entrando a dichastablas con los valores de los parámetrosutilizados, obtenemos, directamente, elvalor de la dureza.

Con respecto a la presentación de los resulta-dos y en caso que el ensayo se haya realizadoen condiciones normales –es decir, con unacarga P de 3000 kgf, con bolilla de aceroduro de 10 mm de diámetro y durante untiempo de 15 segundos–, el resultado se pre-senta con el número de la dureza seguido porlas letras mayúsculas HB.

En caso de emplear condiciones normales deensayo pero con bolilla de carburo de tungs-teno, el valor de la dureza va seguido de lasletras mayúsculas HBW.

En caso que alguna condición del ensayodifiera de las condiciones normales, el valornumérico de la dureza va seguido de las letrasHB o HBW; y, a continuación, se colocan losvalores de D, P, t (en ese orden) y sin unida-des. Por ejemplo: Una dureza Brinell de 200obtenida con bolilla de acero duro de 5 mmde diámetro, empleando una carga de 375kgf, en tiempo t igual a 30 segundos, se indi-ca de la siguiente forma:

Las vveennttaajjaass del ensayo Brinell son:

• Como el tamaño de la impronta es relati-vamente grande, se disminuyen los efectosde las heterogeneidades del material.

• La preparación de la probeta es simple.

• Si no se dispone de un durómetro,puede utilizarse una prensa hidráulicao una máquina de tracción, siempreque sea posible controlar la aplicaciónde la carga.

5511

DDeessvveennttaajjaass del ensayo Brinell:

• Es un ensayo relativamente lento.• La impronta que produce este ensayo es

grande; en muchos casos, la pieza se inu-tiliza, con el consiguiente desperdicio.

• No es un método aplicable a materialesmuy duros ya que se deforma la bolilla,provocando distorsión en los resultadosdel ensayo.

• No es un método aplicable a piezaspequeñas.

• No es un método aplicable a piezas contratamiento superficial.

Existe una relación entre la dureza Brinell yla resistencia a la tracción de aceros. Lasiguiente expresión permite calcular, enforma aproximada, la resistencia máxima a latracción, para el caso de aceros de bajo car-bono recocidos.

Las mmááqquuiinnaass para realizar ensayos de dure-za se denominan durómetros.

Cabe mencionar la existencia de máquinasque permiten realizar más de un tipo de ensa-yo de dureza; por ejemplo, Brinell y Vickers.

5522

Durómetro

Usted puede proponer a sus alumnos unaactividad como ésta:

A fin de controlar la calidad de diversas mate-rias primas compradas, una empresa realizaensayos Brinell (todos con bolilla de acero) enlas condiciones presentadas en la tabla.

A partir de la tabla, los alumnos calculanla dureza Brinell en cada caso y expresan

los resultados en la forma correcta.

Además –y, suponiendo que los materia-les de los ensayos 1 y 3 corresponden aaceros–, es interesante que determinen,en forma aproximada, la resistencia a latracción para dichos casos.

En caso que la escuela posea un duró-metro, le recomendamos hacer


MÉTODO ROCKWELL

El método Rockwell, al igual que el Brinell,es un método de penetración.

En este método se utilizan cargas más peque-ñas que en el método Brinell; lospenetradores pueden ser de dos tipos: conode diamante o bolillas de acero duro de dis-tintos diámetros.

El método Rockwell, al aplicar cargasmenores, deja improntas menores que elmétodo Brinell.

En este sistema, la dureza se lee directamen-te en el dial de la máquina y sólo depende dela profundidad de penetración (Recordemos

que, para determinar la dureza Brinell, sedebía efectuar el correspondiente cálculo).

Para la realización del ensayo Rockwell:

• Aplicamos una carga inicial Po (tam-bién llamada precarga) para que elpenetrador quede firmemente en con-tacto con la pieza; la profundidadalcanzada será usada como nivel dereferencia.

• Luego, colocamos la aguja del dial indi-cador en el valor de fondo de escala(invertimos la escala para lograr que amateriales más duros correspondanmayores valores numéricos de dureza).

• A continuación, agregamos la carga adi-cional Pa sin choques ni vibraciones.

5533

ensayos de aplicación. Existen durómetrosBrinell de taller que son portátiles y de muchomenor costo que los durómetros tradicionales.

En caso que la escuela no posea durómetro,sus alumnos pueden efectuar ensayos de

dureza empleando una máquina universal ouna prensa hidráulica; no importa que losvalores obtenidos no sean de gran preci-sión ya que –a efectos del proceso deenseñanza y de aprendizaje– la experienciaresultará igualmente valiosa.

1

2

3

4

3000

1000

750

500

10

10

5

5

3,2

2,8

3

2,1

15

30

45

45

Nº deensayo

Carga P(kgf)

Diámetro debolilla (mm)

Diámetro deimpronta

(mm)

Tiempo deensayo

(s)

• Dejamos actuar un tiempo la carga total(inicial más adicional) de modo queasegure la finalización de la deforma-ción plástica (el indicador se detiene).

• Acto seguido, retiramos la carga adicional

y leemos la dureza Rockwell en el dial dela máquina.

Resumidamente, el aumento de penetraciónexpresado en micrómetros (h) provocado por lacarga adicional, determina la dureza de la pieza.

El durómetro se calibra de forma tal que, apartir de la medición de la profundidad depenetración, se lea la dureza Rockwelldirectamente en el dial de la máquina; ladureza Rockwell (HR) y la profundidad depenetración (h), están relacionadasmediante la ecuación:

Donde:• C y C1 son constantes que dependen de

la escala Rockwell utilizada. • C es el número que corresponde al

fondo de escala; su valor es 100, cuan-do usamos cono de diamante, y 130 siel penetrador usado es la bolilla.

• C1 es la distancia de penetración equi-valente a un número Rockwell; vale 1micrómetro para la escala Rockwell

superficial y 2 micrómetros para la esca-la Rockwell normal.

La ecuación HR = C – (h / C1) es válida parasuperficies planas; en caso de ensayar super-ficies curvas, las normas especifican el valorque se debe agregar al número indicado porel dial de la máquina.

Las eessccaallaass RRoocckkwweellll se pueden dividir endos grandes categorías: escalas comunes yescalas superficiales.

• En las escalas Rockwell ccoommuunneess, lacarga inicial tiene un valor de 10 kgf.Un número Rockwell corresponde auna penetración de 2 micrómetros.

• En las escalas Rockwell ssuuppeerrffiicciiaalleess, lacarga inicial tiene un valor de 3 kgf. Unnúmero Rockwell corresponde a unapenetración de 1 micrómetro.

5544

Etapas del ensayo Rockwell

Para elegir la escala correspondiente a unadeterminada aplicación, se considera tanto elmaterial como el espesor de la capa o pieza aensayar.

A fin de realizar una correcta elección de laescala, lo más apropiado (como en todo otroensayo) es consultar las normas correspon-dientes.

Sin embargo, a fin de tener una primera

aproximación, podemos considerar lassiguientes indicaciones:

• RRoocckkwweellll AA.. Se aplica a materiales degran dureza y de poco espesor, comohojas de tijeras, aceros con tratamientostermoquímicos, etc.

• RRoocckkwweellll BB.. Se aplica a materiales dedureza intermedia, como aceros demedio y bajo tenor de carbono, aleacio-nes de cobre y aluminio, etc.

5555

A Común 10 50 60

C Común 10 140 150

D Común 10 90 100

F Común Bolilla 1/16” 10 50 60

B Común Bolilla 1/16” 10 90 100

H Común Bolilla 1/8 “ 10 50 60

E Común Bolilla 1/8 “ 10 90 100

15N Superficial 3 12 15

30N Superficial 3 27 30

15T Superficial Bolilla 1/16” 3 12 15

30T Superficial Bolilla 1/16” 3 27 30

En las escalas superficiales, la letra N significa que se usa cono de diamante y la letra T significa que se usa bolilla de 1/16”.

Características de algunas escalas Rockwell tanto comunes como superficiales

EEssccaallaa TTiippoo ddee PPeenneettrraaddoorr CCaarrggaa iinniicciiaall CCaarrggaa CCaarrggaa ttoottaall eessccaallaa ((kkggff)) aaddiicciioonnaall ((kkggff))

((kkggff))

Cono dediamanteCono dediamanteCono dediamante

Cono dediamanteCono dediamante

• RRoocckkwweellll CC.. Se aplica a materiales degran dureza y espesor, como acerostemplados, aceros aleados, fundicionesmuy duras y, en general, materiales conHRB superior a 100.

• RRoocckkwweellll FF.. Se aplica a chapas de meta-les blandos, aleaciones de cobre, etc.

• RRoocckkwweellll EE.. Se aplica a metales blandosy antifricción.

La eessccaallaa BB arroja valores aceptables entreHRB 10 y 100. Para valores mayores aHRB = 100, la bolilla se puede deformar.Para valores menores a HRB = 10, los valo-res son erráticos.

La eessccaallaa CC se aplica a materiales cuya dure-za excede HRB =100. El rango correcto detrabajo en la escala Rockwell C abarca desdeHRC = 20 hasta HRC = 70.

Si no se conoce el material ensayado ni suscondiciones, lo conveniente es realizar, pri-mero, un ensayo Rockwell C y, si el resultadoobtenido es inferior a 20, se procede a reali-zar un ensayo Rockwell B.

Si el material ensayado carece de homogenei-dad, habrá gran dispersión en los resultadosobtenidos; en ese caso, conviene cambiar auna escala con carga o bolilla mayor.

En cuanto a las escalas superficiales:

• EEssccaallaass NN.. Se aplican a materiales comoaceros endurecidos, aleaciones duras ycarburos.

• EEssccaallaass TT.. Se aplican a materiales blan-dos, como latones, bronces, acerosblandos o materiales similares.

Las pprreeccaauucciioonneess generales del ensayoRockwell son:

• La superficie de la pieza o probeta aensayar estará libre de aceites, pinturas,virutas, etc. Durante el mecanizado depreparación de la superficie, no resulta-rán calentamientos que produzcantratamientos térmicos superficiales.

• La pieza o probeta estará apoyada fir-memente sobre la máquina de ensayo;la carga se aplicará perpendicularmentea la superficie ensayada.

• Durante la realización del ensayo, no seproducirán vibraciones ni choques.

• El espesor de la pieza o capa a medir,será igual o mayor a 10 veces la pro-fundidad de penetración h.

• La distancia entre el borde de la probe-ta y el centro de la impronta será igual omayor a 2,5 veces el diámetro de laimpronta. La distancia entre centros deimprontas contiguas será igual o mayora 4 veces el diámetro de impronta.

• La máquina de ensayo se calibrará periódi-camente; a tal fin, con la máquina sesuministran probetas de dureza certificada.

• Se recomienda leer las instrucciones delmanual de la máquina.

MÉTODO VICKERS

El método de dureza Vickers es también unmétodo de penetración. En él, se aplica unpenetrador de diamante con forma de pirá-mide recta de base cuadrada, cuyo ánguloentre caras opuestas es de 136º.

Se aplica una carga creciente, hasta un valormáximo que varía entre 1 y 120 kgf; sin

5566

embargo, las cargas de mayor uso en estemétodo corresponden a 10, 30 y 50 kgf.

Los ensayos realizados con cargas menores a1 kgf se denominan ensayos de microdurezaVickers; en estos casos, las cargas más utili-zadas corresponden a 100, 300 y 500 gf.

El penetrador se aplica hasta que la cargaalcanza su máximo valor; luego, dicha cargaactúa durante un tiempo t; posteriormente,se retiran la carga y el penetrador.

En la pieza o probeta ensayada queda unaimpronta; debemos medir las dos diagonalesde dicha impronta y hacer el promedio.

La dureza Vickers está definida como elcociente entre la carga aplicada (kgf) y lasuperficie de la impronta (mm2) calculada apartir del promedio de las diagonales.

En forma genérica, la dureza Vickers se cal-cula del siguiente modo:

Donde:• P es la carga aplicada.• S es la superficie de la impronta.• k es una constante de conversión.

En caso que la carga P estuviese expresada enkgf y la superficie de la impronta en mm2, laconstante k vale 1.

En caso que la carga P estuviese expresada ennewton y la superficie de la impronta enmm2, la constante k vale 0,10197.

En caso que la carga P estuviese expresada engf y la superficie de la impronta en micro-metros cuadrados, la constante k vale 1000.

La ffóórrmmuullaa ddee ccáállccuulloo (cuya deducción noexponemos) que permite determinar la dure-za Vickers en función del promedio de lasdiagonales, es:

Donde:• k es la constante.• P es la carga.• d es el valor promedio de las diagonales.

Consideremos la nnoottaacciióónn. En los ensayosVickers normales, el resultado numérico vaseguido de las letras HV y, a continuación, seespecifica la carga de ensayo en kgf. El tiem-po de permanencia de la carga se especifica a

5577

Esquema del ensayo Vickers

continuación de la carga, si fuese distinto alos 15 segundos.

Por ejemplo: Una dureza Vickers de 150obtenida con una carga de 30 kgf aplicadadurante 20 segundos, se expresa de lasiguiente forma:

En un caso similar al anterior, pero habiendoaplicado la carga durante 15 segundos, lanotación es:

Observamos que, aquí, no es necesario espe-cificar el tiempo, ya que éste es igual a 15segundos.

Para los ensayos de microdureza, la carga Pexpresada en gf y el tiempo t se ubican comosubíndices.

Así, una dureza Vickers de 500, obtenida conuna carga de 300 gf durante 15 segundos seexpresa:

El mismo caso anterior, pero habiendo actua-do la carga durante 30 segundos:

Las pprreeccaauucciioonneess durante el ensayo deVickers son:

• La superficie estará limpia y libre delubricantes, óxidos, etc.

• Si la superficie a ensayar tiene curvatu-ra (esférica o cilíndrica) se podrácorregir mediante factores correctivosexpresados en las normas.

• En los ensayos de microdureza, la probe-ta será preparada con extremo cuidado,obteniendo un pulido correspondiente auna preparación metalográfica.

• Se asegurará la perpendicularidad entrecarga y superficie.

• La probeta no sufrirá desplazamientos,choques ni vibraciones durante el ensayo.

• La medición de las diagonales de laimpronta se realizará con instrumentosde precisión.

• Para calcular la dureza, se usará el pro-medio de las diagonales. Si los valoresde las diagonales difieren mucho entresí, se investigarán los motivos de taldiferencia, y, si es posible, se corregirá lacausa y se repetirá el ensayo.

• El espesor de la probeta será, comomínimo, igual a 10 veces la profundi-dad de la impronta.

• La distancia entre centros de improntasserá igual o mayor a 4 veces el valor dela diagonal. La distancia entre el centrode una impronta y el borde de la probe-ta, será igual o mayor a 2,5 veces elvalor de la diagonal.

Las vveennttaajjaass del ensayo Vickers son:

• Se usa un único penetrador para todo elrango de durezas.

• Con las cargas pequeñas (en gramos) seobtienen improntas pequeñas y, por lotanto, se pueden medir capas o piezasmuy delgadas.

5588

Las ddeessvveennttaajjaass del ensayo Vickers:

• Es un ensayo lento.• Deben medirse cuidadosamente las

diagonales.

• Requiere una excelente preparaciónsuperficial para cargas bajas.

MÉTODO KNOOP

Es un ensayo de penetración, similar a losque ya hemos visto.

El penetrador es una pirámide de diamante;su base tiene forma de rombo determinadapor norma.

En este ensayo, se aumenta el valor de lacarga hasta un valor máximo P y se mantieneaplicada la carga P durante un tiempo t;

posteriormente, se retira el penetrador y semide la diagonal mayor L.

La dureza Knoop queda definida como elcociente entre la carga P (expresada en kgf) y

5599

Le proponemos que trabaje esta situacióncon sus alumnos:

En un determinado proceso de fabricación,las durezas de pequeñas láminas metáli-

cas son variables críticas para el correctofuncionamiento del producto final. Por talmotivo, se realiza una serie de ensayosVickers a distintos tipos de láminas, deacuerdo con la siguiente tabla:

Calculemos los valores de dureza Vickerspara cada tipo de lámina, expresando los

resultados en forma adecuada.


1

2

3

100

300

500

10

32

59

12

29

61

15

30

45

Lámina Nº Carga P(gf)

Diagonal Nº 1(micrómetros)

Diagonal Nº 2(micrómetros)

Tiempo deensayo

(s)

Vista superior de una impronta Knoop

el área S (expresada en mm2) del rombo mar-cado en la superficie de la probeta.

Siendo así, podemos calcular la durezaKnoop de la siguiente manera:

Cuando la carga P está expresada en kgf y elárea en mm2, la constante k vale:

Cuando la carga P está expresada en gf y el áreaen micrómetros cuadrados, la constante k vale:

A partir de consideraciones geométricas,cuya deducción no presentamos, se obtienela fórmula de cálculo de la dureza Knoop:

Donde:• k toma el valor de acuerdo a las unida-

des elegidas.• L es el valor de la diagonal mayor.

Las cargas utilizadas varían entre 1 y 1000 gf,mientras que los tiempos de permanencia dela carga P más comúnmente usados oscilan,generalmente, entre 10 y 15 segundos (estostiempos no se indican en la notación).

Respecto de las nnoottaacciioonneess, el criterio essimilar al de los métodos anteriores. Por

ejemplo, una dureza Knoop de 350, obteni-da con una carga de 200 gramos aplicadaentre 10 y 15 segundos, se expresa:

El mismo ejemplo anterior pero con tiempode aplicación de 30 segundos:

Este ensayo se aplica a piezas muy peque-ñas, capas superficiales delgadas oelectrodepositadas, superficies tratadastermoquímicamente, etc.

Respecto de loscuidados y pre-cauciones atener en cuentaen el ensayo, sonlos mismos queen los casos ante-riores.

MÉTODO SHORE

Éste es un ensayo de rebote. Consiste endejar caer desde cierta altura una masa (lla-mada martillo) con punta diamantada o deacero muy duro. El martillo cae guiado por elinterior de un tubo vertical de vidrio; ésteúltimo puede acercarse o alejarse de la basedel durómetro, para poder ensayar piezas dediferentes espesores.

A partir de la altura de rebote, se calcula ladureza Shore:

6600

Como en todos losensayos, se recomiendaconsultar las normascorrespondientes.

Donde:

• h0 es la altura inicial. • h es la altura del rebote.

Como material de referencia para la cons-trucción de la escala, se toma un acero deherramientas templado (si ensayamos esteacero, la altura de rebote será h0) .

Respecto de los durómetros Shore, existendos tipos fundamentales: el durómetro ShoreC y el durómetro Shore D.

Los resultados se expresan con el valornumérico de la dureza seguido de las letrasmayúsculas HSC o HSD, según hayamosempleado un durómetro C o D, respectiva-mente.

Las vveennttaajjaass del ensayo Shore son:

• Es un ensayo rápido y simple.• La impronta es muy pequeña y, por lo

tanto, puede aplicarse en piezas reducidas.

• Hay instrumentos de dureza Shore queson portátiles.

• Es un ensayo sensible para altos valoresde dureza.

Sus ddeessvveennttaajjaass:

• Es un ensayo que requiere gran prepa-ración superficial.

• El ensayo no puede realizarse en super-ficies magnetizadas.

6611

Esquema simplificado de un durómetro Shore D

6622

Sus alumnos pueden construir un dispos-itivo elemental de medición de dureza porrebote. Éste, a pesar de carecer de la pre-cisión necesaria, tendrá gran valordidáctico y permitirá ensayar diversosmateriales, a fin de realizar compara-ciones. Con él será posible medir la alturade rebote de distintos materiales, comoaceros con y sin tratamiento térmico,aleaciones de cobre y aluminio, fundi-ciones, maderas, plásticos.

Un método elemental es el empleo de unalima, para determinar si un material es

más o menos duro. En los materialesduros, la lima tenderá a resbalar con granfacilidad; mientras que, en los materialesmás blandos, la lima arrancará materialde la pieza.

Los alumnos pueden realizar estaexperiencia sobre distintos materiales,como aceros con y sin tratamiento térmi-co, aleaciones de cobre y aluminio,fundiciones, maderas, plásticos y otros.Esta sencilla experiencia, permitirá com-parar las durezas de distintos materiales,en forma cualitativa.


La mayoría de los componentes de máquinasno están sometidos a cargas estáticas sino acargas variables en función del tiempo.

Sucede que un componente mecánico some-tido a esfuerzos cíclicos, puede alcanzar larotura aún cuando las tensiones soportadassean muy inferiores a la resistencia estáticamáxima del material o, incluso, inferiores a latensión de fluencia del material.

Se denomina ffaallllaass ddee ffaattiiggaa a este tipo carac-terizado por:

• esfuerzos cíclicos y repetidos en el tiempo, • roturas ocasionadas por tensiones infe-

riores a la resistencia máxima del mate-rial o a la resistencia de fluencia.

Las fallas por fatiga se inician en una grietapequeña, la cual va aumentando su tamañocon el paso de los ciclos de carga. La mayoríade las veces, la grieta comienza en la superfi-cie del componente.

El comienzo de las fallas por fatiga se puedegenerar en:

• defectos del material como inclusio-nes, etc.,

• cambios geométricos en el componente opieza (agujeros, roscas, chaveteros, reduc-

Ensayo de fatiga

ciones o aumentos de sección, etc,),• estado superficial del componente (una

superficie muy rugosa favorece las fallaspor fatiga, lo mismo que las superficiesoxidadas).

El aumento de la grieta hace disminuir lasección resistente hasta que, finalmente, esta

última es tan pequeña que se produce larotura repentina de la pieza.

En consecuencia, en una sección fracturadapor fatiga se distinguen dos zonas: una pri-mera zona en la que la grieta ha idoaumentando su tamaño y una segunda zonaque rompió repentinamente.

En las fallas estáticas, en general, se produceuna gran deformación del componente antesde alcanzar la rotura; muchas veces, esta grandeformación es visible y, entonces, puedentomarse las medidas correspondientes.

Por el contrario, las fallas por fatiga se pro-ducen en forma abrupta y, entonces, resultanmuy peligrosas.

Esto significa que los materiales sometidosa cargas estáticas, trabajan en forma muydistinta a los materiales sometidos a cargasde fatiga.

Consideremos algunos ejemplos de compo-nentes sometidos a fatiga.

Las fibras pertenecientes a ejes rotatorios(motores eléctricos, cigüeñales, etc.), enciertas posiciones de funcionamiento, esta-rán sometidas a compresión y, en otrasposiciones de funcionamiento, estaránsometidas a tracción. Podemos decir,entonces, que los ejes rotatorios estánsometidos a fatiga.

Un eje de una máquina gira a razón de 2.000rpm, durante 8 horas de trabajo diarias. En

6633

Secciones cuya rotura se produjo por fatiga

un día da 960.000 vueltas y, trabajando 20días por mes, dará 19.200.000 vueltas men-suales; se ve, entonces, que durante la vidaútil, un componente puede sufrir miles demillones de ciclos.

También los cascos de los barcos y las estruc-turas de aviones están sometidos a esfuerzosvariables en el tiempo. Algunos ejemplos depiezas sometidas a fatiga son los rieles deferrocarril, los dientes de engranajes, los ála-bes de turbinas y los resortes.

De acuerdo con el tipo de solicitación a quese ven sometidos los componentes y las pie-zas mecánicas, existen diversos tipos de fallapor fatiga:

• Fallas por fatiga debidas a cargas cíclicasde tracción variables.

• Fallas por fatiga debidas a cargas cíclicasde tracción-compresión alternadas.

• Fallas por fatiga debidas a cargas cíclicasde flexión.

• Fallas por fatiga debidas a cargas cíclicasde torsión.

Teniendo en cuenta la cantidad de ciclos aque el componente o pieza estará sometidodurante su vida útil, los estudios de fatiga sedividen en:

• Fatiga de bajo número de ciclos.

• Fatiga de alto número de ciclos.

Algunos autores consideran que 1.000 cicloses el límite entre la fatiga de bajo número de

ciclos y la de alto número de ciclos; otrosautores consideran que dicho límite es10.000 ciclos o aún más.

Según sea que el componente a analizar estésometido, durante su vida útil, a alto núme-ro de ciclos o a bajo número de ciclos, seaplicarán distintos procedimientos para ana-lizar las fallas por fatiga.

En el caso de fatiga de alto número deciclos (que se da en máquinas rotativastanto fijas como móviles) que es el caso queestudiaremos nosotros, el procedimientoaplicado busca encontrar un límite de resis-tencia a la fatiga.

Teniendo en cuenta el límite de resistencia ala fatiga (obtenido de los ensayos) y un factorde seguridad, diseñamos la pieza o compo-nente para que soporte la fatiga sinproblemas. Aplicando este procedimiento deencontrar un límite de resistencia a la fatiga,buscamos que la iniciación de las grietasnunca empiece.

Este procedimiento2 se ha aplicado durantemucho tiempo, por lo que existe una grancantidad de datos y de información disponi-bles. Mediante su aplicación se puedendiseñar componentes sujetos a cargas varia-bles que tengan vida infinita.

De acuerdo a cómo son las tensiones apli-cadas en función del tiempo, tenemosdistintos ciclos:

6644

2 Existen otros dos procedimientos que escapan del objetivode este material de capacitación, por lo que no los estudia-remos. Éstos permiten analizar las fallas por fatiga de bajonúmero de ciclos y son:

- el procedimiento de la deformación-vida,

- el procedimiento de la mecánica de fractura lineal elástica.

En todos los ciclos graficados, se verifica queσMAX es la tensión máxima, σMED es la tensiónmedia y σMIN es la tensión mínima.

La fatiga puede ser ocasionada por distintostipos de esfuerzos cíclicos. Por lo tanto, exis-ten distintos tipos de máquinas:

• Máquinas que producen fatiga, median-te esfuerzos axiales variables detracción/compresión.

• Máquinas que producen fatiga, median-te esfuerzos variables de flexión.

• Máquinas que producen fatiga, median-te esfuerzos variables de torsión.

Cada una de éstas incluye un contador queregistra el número de ciclos aplicados.

Las máquinas más utilizadas son las que pro-ducen fatiga aplicando esfuerzos de flexión;estas máquinas utilizan una probeta giratoria.La probeta está sostenida, en sus extremos,por sujetadores especiales. La carga se aplicaa través de dos rodamientos equidistantes delcentro de la probeta; ambos rodamientossoportan cargas iguales.

Para que los esfuerzos sean cíclicos, se hace girarmecánicamente la probeta mediante un motor; encada vuelta se provoca un ciclo de carga. Lo ante-rior significa que cuando una fibra de la superficieexterna de la probeta esté en la parte superior seencontrará sometida a compresión; cuando elgiro de la probeta provoque que la fibra anteriorpase a ocupar la parte inferior de la probeta, lamisma fibra estará sometida a tracción.

6655

Ciclos de tensiones en fatiga

Existen máquinas universales de fatiga en lasque, a través del uso de distintos dispositi-vos, se pueden realizar ensayos aplicandoesfuerzos cíclicos de tracción y/o compre-sión, de flexión o de torsión.

El objetivo final del ensayo es determinar ellímite de resistencia a la fatiga del materialestudiado. A tal fin, se prepara un númerosuficiente de probetas que sean representa-tivas del material. Con los resultadosobtenidos de las distintas probetas, se trazala curva de Wöhler correspondiente almaterial ensayado.

Para construir la curva de Wöhler de unmaterial, se necesita un mínimo de entre 10

y 15 probetas iguales. La curva de Wöhler esun gráfico que muestra la tensión en el eje deordenadas y la cantidad de ciclos para alcan-zar la rotura en el eje de abscisas; los gráficosde Wöhler también se conocen como gráfi-cos S-N (S hace referencia a las tensiones y Nal número de ciclos).

Los gráficos de Wöhler son semilogarítmicos;esto significa que la escala de tensiones (ejede ordenadas) es lineal, mientras que la esca-la del número de ciclos (eje de abscisas) eslogarítmica.

A continuación, mostramos diagramas deWöhler para distintos materiales metálicossometidos a fatiga mediante flexión rotativa:

6666

Esquema de máquina de flexión rotativa

La probeta inicial se somete a altas tensionesy, por lo tanto, su rotura ocurre a baja canti-dad de ciclos; las probetas siguientes seensayan con tensiones menores, necesitandomayor cantidad de ciclos para alcanzar larotura.

Es muy importante mencionar que, aún paraun mismo material ensayado en iguales con-diciones, las curvas de Wöhler obtenidastienen importantes variaciones entre sí.

Para ensayos habituales de rutina, puedetomarse como válida la curva de Wöhler obte-nida con una única serie de probetas; paraestudios más rigurosos, además de las tensio-nes (S) y del número de ciclos (N), debemosconsiderar la probabilidad de falla (P) median-te la realización de estudios estadísticos.

Consideremos la influencia de las distintasvariables en la resistencia a la fatiga:

• TTeerrmmiinnaacciióónn ssuuppeerrffiicciiaall.. Como hemosdicho, la mayor parte de las grietas seda en la superficie de los componentes;por esto, cuanto mejor sea la termina-ción superficial (superficie máspulida), mayor será la resistencia a lafatiga. Así, por ejemplo, una superficierectificada tendrá mayor resistencia ala fatiga que una superficie desbastadaen un torno.

• EEnndduurreecciimmiieennttoo ssuuppeerrffiicciiaall.. El endure-cimiento superficial se obtienemediante la proyección de bolillas deacero sobre la superficie de la pieza. Elimpacto de bolillas de acero (granalla-

6677

Diagramas de Wöhler.Los puntos A, B, C y D corresponden a los valores limites de resistencia a la fatiga

do) provoca tensiones de compresiónen la superficie de la pieza; dichas ten-siones de compresión perjudican elinicio y la propagación de grietas, mejo-rando así la resistencia a la fatiga.

• TTrraabbaajjaaddoo eenn ffrrííoo.. El trabajado en frío(por ejemplo: estampado, laminado otrefilado) origina tensiones de compre-sión en la superficie de la pieza. Estastensiones de compresión disminuyen lageneración y propagación de grietas,mejorando la resistencia a la fatiga.

• CCoorrrroossiióónn.. Durante su funcionamiento,muchos componentes mecánicos estánexpuestos a la acción de vapor de agua,gases de escape de motores, vapores deácidos, etc., los que tienen importantesefectos corrosivos. Estos factores corrosi-vos favorecen la aparición de nuevasgrietas, además de incrementar la veloci-dad de crecimiento de las grietas yaexistentes. Resulta, entonces, que la corro-sión perjudica la resistencia a la fatiga.

• TTrraattaammiieennttooss ttéérrmmiiccooss.. Tratamientostérmicos tales como la cementación y eltemple a la llama o por inducción,mejoran la resistencia a la fatiga3. Lanitruración, que es un tratamiento ter-moquímico, también mejora laresistencia a la fatiga.

• CCaappaass ddeeppoossiittaaddaass eenn ffoorrmmaa eelleeccttrroollííttiiccaa..El niquelado y el cromado no favorecenla resistencia a la fatiga, a menos quevayan acompañados de otros tratamien-tos superficiales –como el granallado–.

Por otra parte, las capas depositadas demetales blandos tales como cobre,plomo, estaño y zinc no comprometenseriamente la resistencia a la fatiga.

• TTeemmppeerraattuurraa.. La mayor parte de losensayos de materiales se realiza a tem-peratura ambiente. Sin embargo,durante su vida útil, muchas piezasestán expuestas a altas temperaturas(como en las máquinas térmicas) o abajas temperaturas (como en máquinasfrigoríficas). Por lo tanto, la resistenciaa la fatiga también varía en función dela temperatura; la relación entre resis-tencia a la fatiga y temperatura esbastante compleja, dependiendo, ade-más, del material ensayado. Porejemplo, la resistencia a la fatiga dealgunos aceros disminuye hasta queencuentra su punto más bajo alrededorde los 150 ºC y, luego, aumenta hastaalcanzar su punto más alto entre los300 ºC y 400 ºC; a partir de los 300-400 ºC, la resistencia a la fatigadisminuye nuevamente.

¿Cómo se concreta el ensayo en componen-tes reales? Muchas veces, se necesita estudiarel comportamiento a fatiga de piezas críticasen las condiciones de trabajo reales; porejemplo, en amortiguadores, estructuras deaviones, etc. Para realizar estos ensayos seconstruyen dispositivos específicos que,obviamente, son costosos, pero cuyo gasto esjustificado por razones de seguridad.

Al realizarse el ensayo sobre componentes quetienen forma y tamaño real, los resultados sonmucho más confiables que si el ensayo sehubiese realizado sobre probetas de laboratorio.

6688

3 Estudiaremos los tratamientos térmicos, con mayor profundi-dad, en los próximos materiales de capacitación de esta serie.

6699

Le proponemos las siguientes cuestionespara discutir en clase:

• Cuando queremos cortar un alambre amano, en lugar de traccionarlo, lo quehacemos es esforzarlo hacia un lado yhacia el otro en forma sucesiva, hastaque se rompe. ¿Qué relación tiene estaforma de proceder con la solicitaciónpor fatiga? Suponiendo que los esfuer-zos aplicados hacia un lado y hacia elotro son absolutamente parejos, ¿quétipo de ciclo corresponde?

• Supongamos que tenemos dos ejes A y Bque tienen igual diámetro, son de igual

material y cada uno tiene un chavetero.La única diferencia es que la base delchavetero correspondiente al eje A tieneángulos rectos, mientras que la base delchavetero correspondiente al eje B esredondeada. ¿Cuál de los ejes tendrámayor resistencia a la fatiga y por qué?

• ¿Se puede afirmar que las bielas demotores de combustión interna estánsometidas a ciclos de fatiga de trac-ción–compresión? Expliquemos laidea.

• ¿Qué importancia tienen las grietas enla resistencia a la fatiga?


Muchas piezas, equipos y componentesestán sometidos a altas temperaturas defuncionamiento durante el transcurso de suvida útil: las calderas, las turbinas de gas yde vapor, los equipos de las industrias quí-micas y petroquímicas. En talescondiciones de carga y temperaturas eleva-das, se produce una deformación lenta yprogresiva; este proceso se denomina ter-mofluencia o creep.

Los ensayos de termofluencia son, general-mente, largos: pueden durar varios meses e,incluso, años, y sirven para conocer la capa-

cidad de un material para soportar cargas atemperaturas elevadas.

En forma genérica, la termofluencia se pro-duce a temperaturas superiores a 1/3 o 1/2 dela temperatura de fusión del metal ensayado.

Durante el ensayo, se mantienen constantes latensión o la carga y la temperatura; lo que sebusca obtener es la deformación de la probetaen función del tiempo. Los ensayos se realizan,habitualmente, a carga y temperatura constante,y es conveniente que las condiciones de ensayosean muy similares a las de funcionamiento.

Ensayo de termofluencia

En los gráficos obtenidos, se distinguen tresetapas distintas.

11.. Disminuye la velocidad de deformación(dada por la pendiente de la curva), loque significa que el material se endure-ce. Es decir que, a medida quetranscurre la etapa 1, las dislocaciones

tienen mayor dificultad para moverse.

22. Corresponde a la parte lineal del gráfico.La velocidad de deformación es constan-te; las dislocaciones sobrepasan losobstáculos con la misma velocidad conque son “frenadas” por otras imperfec-ciones. La pendiente de la recta en estasegunda etapa es un importantísimoparámetro a obtener en el ensayo y sedenomina velocidad de termofluencia:

33.. Caracterizada por un aumento de lavelocidad de deformación, se produceuna reducción de la sección que lleva ala rotura final; en este punto, se deter-mina otro importante parámetro: eltiempo de rotura. En determinadas apli-caciones, el tiempo de rotura es elparámetro que limita el funcionamientode las piezas

7700

Esquema de un ensayo de termofluencia

Curva típica de un ensayo de termofluencia realizado con carga y temperatura constantes

A partir de la realización de gran cantidad deensayos de termofluencia, se puede construir,para cada temperatura y cada material, un gráfi-co de tensión en función del tiempo de ruptura.

Estos gráficos se utilizan para predecir la vidaútil de un componente, para una tensión ytemperatura determinadas.

7711

Variación de las curvas de termofluenciaen función de la carga

Variación de las curvas de termofluenciaen función de la temperatura

7722


Un problema para trabajar en clase:

A fin de conocer el comportamiento de unmaterial metálico que trabajará a 560 ºC,

se realiza un ensayo de termofluencia. Atal fin, se ensaya una probeta de 10 cm delongitud inicial; los datos obtenidos semuestran en la tabla siguiente.

Graficamos los valores de deformaciónespecífica en función del tiempo e identi-ficamos, en el gráfico, cada una de lasetapas de la termofluencia.

Explicamos qué sucede en cada etapa yobtenemos la velocidad aproximada determofluencia.

0

200

400

600

800

10,1

11

11,3

11,4

11,5

Tiempo (horas)

Deformación (cm)

1000

1200

1400

1600

1800

11,6

11,7

12

12,5

13,4

Tiempo (horas)

Deformación (cm)

Es un ensayo simple y se utiliza para verificarla ductilidad de metales.

Consiste en:• someter la probeta a esfuerzos de fle-

xión, hasta que ésta alcanza undeterminado ángulo α establecido en lanorma del producto ensayado o en lasespecificaciones técnicas; y, luego,

• verificar visualmente si en la cara some-tida a tracción aparecieron grietas4.

El material es aceptado si no aparecen grietasa simple vista en la cara traccionada; o, even-tualmente, si las grietas no superandeterminado tamaño.

Es un ensayo que, entre otros usos, se aplicaa juntas soldadas.

Ensayo de doblado o plegado

4 Existen varias disposiciones para realizar el ensayo; como siem-pre, es imprescindible consultar las normas correspondientes.

7733

Dos disposiciones para realizar el ensayo de plegado


¿Por qué no propone a sus alumnos que, utilizando una prensa y un mandrilde doblado (que puede ser construido por ellos mismos), realicen el dobla-do a diversos materiales metálicos, y verifiquen o no la existencia de fisurasen la cara traccionada?

La probeta y el punzón se recubren con grasaantes del ensayo, a fin de disminuir el rozamiento.

Como en todo ensayo, se recomienda con-

sultar las normas correspondientes; éstasespecifican la precisión con que deben efec-tuarse las mediciones, el tipo de grasa autilizar y otros parámetros a tener en cuenta.

7744

El ensayo de embutido, también denominadoensayo Erichsen, se aplica principalmente achapas que serán sometidas a procesos deembutido mediante matrices.

Este ensayo permite determinar qué tanbuena es la chapa, para ser sometida a proce-sos de embutido.

Consiste en aplicar un penetrador (punzón)a la chapa para:

• Determinar la ductilidad de la chapaensayada.

• Determinar el tamaño de grano.

La chapa a ensayar está sujeta por los bordesen su totalidad, mientras que el penetradoravanza a velocidad uniforme sobre la chapa(probeta).

El ensayo finaliza cuando la deformación dela chapa alcanza determinada magnitud ocuando la chapa alcanza la rotura.

La distancia, expresada en mm, que avanzael penetrador desde el inicio del recorridohasta la rotura de la chapa, se denominaíínnddiiccee EErriicchhsseenn. Este índice da idea de laductilidad de la chapa y, en consecuencia,es una medida de la capacidad que tiene lachapa para ser deformada mediante proce-sos de embutido. Este índice no es unacaracterística propia del material, ya quevaría con el espesor de la chapa.

El punzón utilizado habitualmente tieneforma esférica, pudiendo variar la forma paracasos especiales.

La determinación del tamaño de grano de lachapa ensayada puede efectuarse de dosformas:

• empleando oculares o microscopios pro-vistos en el accesorio correspondiente,

• mediante un muestrario suministrado porel fabricante de la máquina de ensayo.

Ensayo de embutido

Esquema del ensayo Erichsen

7755

En los ensayos no destructivos, no se provo-ca la rotura del componente ensayado.

Estos ensayos tienen inmensa aplicación paraanalizar la existencia de defectos en compo-nentes y piezas que están en uso; algunosdefectos que se pueden detectar con estas téc-nicas son: fallas superficiales y subsuperficiales(grietas), porosidades internas del material,inclusiones, etc. También se pueden medirespesores de recubrimientos, tales como capasniqueladas, pintadas, cromadas, etc.

Los ensayos no destructivos tienen gran apli-cación en mantenimiento y permiten, entreotros objetivos:

• determinar la existencia de grietas ensoldaduras, componentes de usoaeronáutico, puentes y grandesestructuras;

• determinar espesores de pared en reci-pientes a presión, tanques y cañerías,considerando que los efectos corrosivosen estos elementos, hacen que las pare-des disminuyan su espesor con el pasodel tiempo, pudiendo alcanzar valorespequeños que resultan peligrosos;

• inspeccionar defectos internos en piezasfundidas, forjadas o mecanizadas.

Pasaremos ahora, a estudiar los ensayos no des-tructivos más importantes, en forma particular.

Ensayo de líquidos penetrantes

Con este ensayo se pueden detectar poroso fisuras abiertos a la superficie. El méto-do es aplicable a todo tipo de materialesmetálicos y no metálicos, con la restric-ción de que el material ensayado no debeser poroso. Los resultados del ensayo soncualitativos.

Resumidamente, el método se basa en lacapacidad de ciertos líquidos de penetrar enlos defectos superficiales tales como fisuras.Posteriormente, se aplica una sustanciareveladora (que puede ser seca o húmeda),que tiene la propiedad de absorber el líqui-do que ingresó en los defectos. Observandolas manchas en el revelador, podemos deter-minar las características generales de lasfisuras tales como posición, cantidad, formay tamaño aproximado.

Las etapas a seguir para la realización delensayo son:

• Realizamos una minuciosa limpieza dela superficie a ensayar.

• Aplicamos el líquido penetrantesobre la superficie a ensayar. El líqui-do penetrante debe tener laviscosidad, la tensión superficial y lacapilaridad correctas. Esperamos eltiempo adecuado, para que el líquidopenetre en los defectos superficiales,tales como poros y fisuras.

• Quitamos el exceso de líquido penetrante.• Aplicamos el medio revelador sobre la

superficie de la pieza y esperamos eltiempo adecuado.

• Examinamos visualmente la superficie de

Ensayos no destructivos

la pieza, a fin de percibir la existencia ono de manchas que indiquen la presenciade defectos. Si el líquido penetrante utili-zado no es fluorescente, el examen de lasuperficie puede realizarse con luz natu-ral o con luz artificial común. Si el líquidopenetrante usado es fluorescente, laobservación debe realizarse con luz ultra-violeta. En el caso de usar líquido nofluorescente, las manchas –generalmen-te– son de color rojo sobre el reveladorcolor blanco. En el caso de usar líquido

fluorescente,las manchasa p a r e c e nfluorescentessobre unfondo oscuro.

• Realizamos la limpieza final de la pieza.

Los líquidos penetrantes, así como las sus-tancias reveladoras, se consiguencomercialmente.

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Debemos tener la pre-caución de no enfocarlos ojos directamente a lafuente de luz ultravioleta.

Secuencia de un ensayo de líquidos penetrantes

En caso de que su escuela posea líqui-dos penetrantes y reveladorescomerciales, puede usted proponer asus alumnos ensayar piezas fisuradas.

En caso de no poseer tales elementoscomerciales, le sugerimos probar contintas diluidas, pinturas diluidas o líqui-

dos similares; y, como reveladores, pro-bar con cal de construcción, talco osustancias similares.

Por supuesto, es importante que ustedaclare a los estudiantes que éstos no sonensayos rigurosos sino experiencias quefacilitan la comprensión.


Ensayo de partículas magnéticas

Con este ensayo es posible detectar defectossobre la superficie o muy cercanos a ésta.

Se aplica a piezas construidas con materialesferromagnéticos –materiales que pueden sermagnetizados fuertemente–; la magnetiza-ción de la pieza puede realizarse empleandocorriente continua o alterna.

Si esparcimos sobre la pieza o superficie aexaminar (previamente magnetizada) partí-culas de material magnético –polvo de hierroseco o húmedo–, podemos observar las líne-as de fuerza del campo magnético y detectar,así, la presencia de defectos.

Como su nombre indica, en el método secolas partículas de hierro se aplican en seco; enel método húmedo, en cambio, las partículasestán en suspensión en un líquido que puedeser agua, aceite u otro. Al ensayar superficiesamplias, generalmente se usa el método seco,ya que la recuperación de las partículas dehierro es más fácil; por otra parte, el métodoseco permite detectar los defectos subsuper-ficiales con mayor facilidad que el métodohúmedo. El método húmedo, por su parte,facilita la detección de defectos superficialesmuy pequeños.

En caso que la pieza o superficie ensayada notuviese defectos, las partículas de polvo dehierro siguen la forma característica de laslíneas de campo magnético.

En caso que la pieza o superficie ensayadatuviese defectos en la superficie o cercanos aella, las líneas de campo magnético cambiansu forma y, por lo tanto, la disposición de las

partículas de polvo de hierro refleja el defec-to presente.

Este método –como los ensayos no destructi-vos, en general– se aplica al mantenimientoen la industria aeronáutica, ferroviaria ynaval, entre otras.

La orientación relativa entre el defecto y laslíneas de campo magnético, es de granimportancia para visualizar fácilmente losdefectos. Los defectos más fácilmente visuali-zables son aquellos que están en un planoperpendicular a las líneas de campo magnéti-co. Cuando el ángulo entre las líneas decampo magnético y el plano del defecto espequeño (desde 0º hasta 30º/40º), el defectono se visualiza.

Existen dos formas diferentes para magneti-zar las piezas:

• MMaaggnneettiizzaacciióónn lloonnggiittuuddiinnaall.. En estecaso, las líneas de fuerza atraviesan lapieza en forma paralela a su eje longitu-dinal. Para obtener magnetizaciónlongitudinal, se hace circular corrientepor una bobina o arrollamiento, encuyo interior se ubica la pieza (la piezadebe ubicarse en forma longitudinal

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Modificación de las líneas de campodebida a la presencia de defectos

respecto al campo generado por la bobi-na). El campo magnético en la zonaexterna a las piezas magnetizadas longi-tudinalmente, es muy notorio.

• MMaaggnneettiizzaacciióónn cciirrccuullaarr.. En este caso, seestablece un flujo magnético en todo elcontorno periférico de la pieza estudia-da. Para obtener magnetización circular,se hace circular corriente por la piezamisma o a través de un conductor queatraviesa la pieza (en caso de que éstasea hueca). El campo magnético en lazona externa a las piezas magnetizadascircularmente es muy poco notorio.

Para obtener la magnetización de las piezasque serán ensayadas, se usan: imanes perma-nentes, electroimanes, bobinas, pasaje decorriente a través de la pieza, pasaje de

corriente por un conductor central que atra-viesa la pieza. Cabe destacar que, mediante eluso de imanes permanentes, se obtienen pie-zas magnetizadas en forma débil; estasituación mejora de gran manera con el usode electroimanes.

La magnetización puede efectuarse mediantecorriente continua (CC) o mediante corrien-te alterna (CA). La CA es de mayor aplicaciónque la CC para realizar este tipo de ensayos;detecta bastante fácilmente los defectossuperficiales, no así los subsuperficiales. Porsu parte, la CC es muy útil para detectarfallas subsuperficiales.

Usando CA, no existen mayores diferenciasentre el método húmedo y el seco; en cam-bio, con CC, el método seco da mejoresresultados que el húmedo.

Los pasos a seguir durante la realización delensayo son:

• Limpiamos la superficie a ensayar.• Desmagnetizamos la pieza (en caso que

estuviera magnetizada), a fin de elimi-nar las perturbaciones al campomagnético que será aplicado posterior-mente.

• Magnetizamos la pieza a ensayar y apli-camos las partículas magnéticas.Existen dos maneras de hacerlo:- aplicar la magnetización y las partí-

culas en forma simultánea,- realizar primeramente la magnetiza-

ción y, luego, aplicar las partículas.• Realizamos la inspección de la pieza

ensayada, evaluando los resultados.• Desmagnetizamos la pieza.• Limpiamos la pieza.

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La desmagnetización de la pieza es importan-te, ya que el magnetismo remanente puedeafectar su normal funcionamiento. Por ejem-plo, una pieza móvil que quede magnetizada,

se vería afectada por las posibles virutas ypartículas metálicas que se adhieran a susuperficie, incrementándose así rápidamenteel desgaste de dicha pieza.

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Le proponemos que sus alumnos reali-cen la magnetización de piezasfisuradas (mediante imanes, elec-troimanes o haciendo circular corrientepor la pieza) y, luego, cubran la piezacon viruta fina de hierro para verificar laexistencia de fisuras.

No olvide implementar todas las pre-cauciones necesarias al trabajar concorriente eléctrica.


Ensayo de ultrasonido

Este ensayo se basa en la emisión de ondasultrasónicas (no audibles) que atraviesan elmaterial o pieza ensayada, y que son refleja-das por la cara opuesta de la pieza o por susdefectos internos.

Los pulsos emitidos y los pulsos reflejados pordefectos o por la superficie opuesta son visua-lizados en la pantalla de un osciloscopio.

Las ondas ultrasónicas son generadasmediante cristales piezoeléctricos (crista-les de cuarzo, titanato de bario y otros).Estos cristales, tienen la característica deque, cuando son sometidos a una tensióneléctrica aplicada entre dos de sus caras,se deforman mecánicamente; al eliminar latensión eléctrica aplicada, el cristal recu-pera su forma original, generando unaonda; porque, para llegar a la posición ori-ginal, el cristal pasa por una serie de

oscilaciones. En resumen, los cristales pie-zoeléctricos generan vibraciones cuandoson sometidos a una tensión eléctrica yviceversa.

Mediante la aplicación de ondas acústicasse detectan defectos internos de los mate-riales como sopladuras, grietas, inclusionesy discontinuidades superficiales en lingo-tes, chapas, barras, tubos, en estadofundido, forjado o mecanizado. El ensayode ultrasonido también permite medirespesores y realizar controles de calidad en

Vibración mecánica de una láminapiezoeléctrica sometida a tensión eléctrica

cordones de soldadura. Debemos tenermuy en cuenta que la propagación deondas a través de la pieza es un transportede energía y no de materia.

Las ondas ultrasónicas consisten en la propa-gación de oscilaciones de una partículaalrededor de su posición de equilibrio; estasoscilaciones se transmiten de una partículahacia las partículas vecinas y, de esta forma, setransmite la onda a través de todo el material.

La frecuencia de las ondas ultrasónicas essuperior a los 20 kHz.

Existen diferentes tipos de ondas ultrasónicas:

• OOnnddaass lloonnggiittuuddiinnaalleess:: Son aquellas enque la dirección de propagación de laonda es coincidente con la dirección deoscilación de las partículas.

• OOnnddaass ttrraannssvveerrssaalleess:: Son aquellas enque la dirección de propagación de laonda es perpendicular a la dirección deoscilación de las partículas. Un casoparticular de las ondas transversales sonlas ondas superficiales, las que se trans-miten por la superficie del material.

En los líquidos y gases tenemos solamenteondas longitudinales; en los sólidos, lasondas pueden ser longitudinales, transversa-les o combinación de ambas.

IImmppeeddaanncciiaa aaccúússttiiccaa es la resistencia queopone el material a la oscilación de las partí-culas. Un material con baja impedanciaacústica ofrece poca resistencia al pasaje deondas ultrasónicas; un material con altaimpedancia acústica ofrece gran resistencia alpasaje de ondas ultrasónicas.

Se produce pérdida de energía ultrasónicadebido a varios factores:

• A medida que nos alejamos del palpa-dor emisor, se produce una divergenciade la onda. Esto significa que la energíaultrasónica es menor al aumentar la dis-tancia al emisor.

• La presencia de inhomogeneidades ydefectos (tales como inclusiones, poros,etc.) en el material generan dispersión ypérdida de energía.

• Parte de la energía ultrasónica se con-vierte en calor, como consecuencia de ladeformación experimentada por laestructura cristalina y por el movimien-to transmitido a las partículas delmaterial (iones, en el caso de un metal).

Por tales motivos, disminuye la energía ultra-sónica que atraviesa el material y, enconsecuencia, disminuye la amplitud de lasseñales reflejadas por las fallas existentes.

Los ppaallppaaddoorreess (también llamados cabezales)son los elementos que se apoyan sobre lasuperficie de la pieza a ensayar; su función esla de generar, emitir y recibir las ondas ultra-sónicas que atraviesan la pieza.

El palpador está constituido por un cristalpiezoeléctrico ubicado dentro de una car-caza metálica.

Los palpadores se caracterizan por:

• RReessiisstteenncciiaa aall ddeessggaassttee.. Ésta depende desi el cristal piezoeléctrico está directa-mente en contacto con la pieza aensayar o está protegido.

• SSeennssiibbiilliiddaadd.. Da idea de la cantidad de

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energía eléctrica que se convierte enenergía ultrasónica.

• PPooddeerr ddee rreessoolluucciióónn.. Se dice que un pal-pador tiene alto poder de resolucióncuando la separación entre dos ecos defondo es muy visible, a pesar de que elescalón de la pieza que produce esosecos, sea muy pequeño. Un alto poderde resolución ayuda a una correcta lec-tura y evita errores.

En un ppaallppaaddoorr nnoorrmmaall, la propagación de laonda es perpendicular a la superficie. Estáformado por un solo cristal que puede ser decuarzo u otros materiales piezoeléctricos,dependiendo de la sensibilidad, del poderresolutivo y de la resistencia al desgasterequeridos. Cuando empleamos el métodode reflexión –lo explicamos en unos párrafosmás–, el cristal puede actuar como emisor yreceptor simultáneamente.

El ppaallppaaddoorr ddoobbllee está formado por dos cris-tales separados, integrados en la mismacarcaza. Uno de los cristales actúa como emi-sor y el otro como receptor de las ondas

ultrasónicas. Estos palpadores son muy ade-cuados para detectar defectos cercanos a lasuperficie y para examinar piezas con super-ficies curvas.

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Esquema de palpador normal

Esquema de palpador doble

Un palpador angular se caracteriza porque lasondas ultrasónicas son dirigidas en formaoblicua sobre la superficie de la pieza. Los pal-padores angulares son muy útiles paradeterminar fallas orientadas verticalmente oen diagonal respecto de la superficie del mate-

rial. Los palpadores angulares estándar tienenángulos característicos de 35º, 45º, 60º, 70º,80º, y 90º; los palpadores de 90º se usan parafallas superficiales. Existen palpadores angula-res universales; en ellos se puede variar elángulo del cristal, según las necesidades.

En su carcaza, los palpadores tienen grabadoun código integrado por números y letrasque indican las características del palpador.No vamos a estudiar aquí estos códigos condetenimiento; sólo diremos, a modo de ejem-plo, que el tipo de cristal es indicado por unaletra: Los cristales de cuarzo se identificancon la letra Q, los cristales de titanato debario con la letra B y los cristales especiales seindican con la letra K.

Dentro del código se incluye un número queindica la frecuencia de operación del cristal yletras que indican el tipo de palpador (angu-lar, doble, de inmersión, etc.).

Los dos métodos principales para efectuar el

ensayo de ultrasonido son5: • método de transparencia y • método de reflexión.

MMÉÉTTOODDOO DDEE TTRRAANNSSPPAARREENNCCIIAA.. En este caso, elpalpador emisor se coloca en una cara de lapieza, mientras que el palpador receptor secoloca en la cara opuesta. Si en la pieza ensa-yada no existen defectos, el palpador receptorregistra toda la energía emitida por el palpadoremisor (a excepción de las pequeñas pérdi-das). Los picos de energía emitida y recibidatienen igual altura y se visualizan separados enla pantalla del osciloscopio.

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Esquema de palpador doble

5 Existe un tercer método, menos utilizado, llamado de resonan-cia. Se utiliza, fundamentalmente, para la determinación deespesores en piezas de caras paralelas.

En caso que la pieza ensayada tuviese defectos,parte de la energía emitida se refleja en talesdefectos; resulta, entonces, que la energía reci-bida por el palpador receptor es menor que laenergía emitida por el palpador emisor. La

energía emitida y la energía recibida por elreceptor tienen sus correspondientes picos,individualizados en la pantalla del osciloscopio.En este caso, el pico de energía recibida es demenor altura que el pico de energía emitida.

Resumidamente, en el método de transpa-rencia, la detección del defecto se basa en ladisminución de energía recibida. Por estemétodo, no se puede determinar la profundi-dad a que se encuentra el defecto (no sepuede determinar su ubicación).

MMÉÉTTOODDOO DDEE RREEFFLLEEXXIIÓÓNN.. En este caso, el palpadoremisor es también el receptor. Por tal motivo,no debe existir interferencia entre las ondasincidentes y las reflejadas; esto se logra hacien-do que las ondas incidentes sean emitidas enforma de pulsos y no de manera continua.

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Método de transparenciapieza sin defecto

Método de transparenciapieza con defecto

Si en la pieza ensayada no existen defectos, enla pantalla del osciloscopio se observan dospulsos separados: uno correspondiente a laenergía emitida y otro correspondiente al eco

de fondo de la cara opuesta de la pieza. Al noexistir defectos, la distancia entre los picos enla pantalla del osciloscopio corresponde aldoble del espesor de la pieza ensayada.

En caso de que la pieza ensayada tuviesedefectos, parte de la energía emitida serefleja en tales defectos y parte de la ener-gía continúa su trayectoria hasta reflejarseen el fondo de la pieza. Puede ocurrir que,si el tamaño del defecto es muy grande,toda la energía se refleje en él y nada de

energía llegue al fondo de la pieza.

La energía emitida, la energía reflejada porel defecto y la energía reflejada por elfondo de la pieza tienen su correspondien-te pico, individualizado en la pantalla delosciloscopio.

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Método de reflexiónpieza sin defecto

Método de reflexiónpieza con defecto

En síntesis: En el método de reflexión se deter-mina la existencia del defecto por la apariciónde un pulso de energía reflejada en este defec-to. Por este método se puede determinar laubicación del defecto ya que, midiendo el tiem-po del movimiento del haz desde su origenhasta la recepción, y conociendo la velocidadde propagación del sonido en el material, sedetermina el camino recorrido hasta el defecto.A partir de este ensayo, existen métodos apro-ximados para estimar el tamaño del defecto.

El método de reflexión también se aplicapara la determinación de espesores.

A fin de eliminar la película de aire existenteentre los palpadores y la pieza ensayada, seutilizan mmeeddiiooss ddee aaccooppllee. Los medios deacople más utilizados, son aceites; pero, tam-bién pueden utilizarse pastas de acopla-miento producidas por los fabricantes deequipos de ultrasonido.o grasas.

Debemos tener presente que la frecuencia dela señal ultrasónica, es inversamente propor-cional a la longitud de onda de dicha señal.Al fijar la frecuencia de ensayo, queda auto-máticamente definida la longitud de onda. Amenores longitudes de onda, podemosdetectar defectos más pequeños.

En forma resumida, si elegimos altas frecuen-cias estaremos trabajando con bajaslongitudes de onda y podremos detectardefectos más pequeños.

Como ejemplo y a modo estimativo:

• Para metales con tamaño de grano gran-de (por ejemplo, piezas fabricadas porfundición) se emplean frecuencias dehasta 1 MHz.

• Para materiales que tienen tamaño degrano menores (piezas laminadas) seusan frecuencias entre 2 y 12 MHz.

La ccaalliibbrraacciióónn ddeell eeqquuiippoo se realiza cuan-do el equipo de ultrasonido ha sidoreparado, cuando se cambian palpadores,cuando se pasan a ensayar piezas distintasa las que se venían inspeccionando o encircunstancias similares. Para realizar lacalibración se emplean bloques patrón,piezas que tienen discontinuidades (aguje-ros, partes curvas, escalones) que hacenlas veces de defectos; los bloques patrónse pueden considerar, así, como piezasque tienen defectos patrón.

Estos bloques patrón están normalizados ensus dimensiones, formas y materiales.

Entre las distintas calibraciones a efectuar,encontramos la calibración de distancias(linealidad horizontal). Con esta calibraciónnos aseguramos que los ecos de fondo, pro-ducidos por el bloque patrón, aparezcandistribuidos correctamente en la pantalla delosciloscopio; por lo tanto, podemos conocera qué distancia se encuentran los defectos enla pieza real a ensayar.

Otra calibración importante es la linealidadvertical. Esta calibración permite asegurar quela amplitud de los ecos es la correcta y, así, ten-dremos indicios de las dimensiones de lasdiscontinuidades en la pieza real a ensayar.

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Esquema de dos bloques patrón

Otras posibles calibraciones a efectuarempleando los bloques patrones son: calibra-ción de distancias con palpadores angulares,y control de sensibilidad con palpadores nor-

males o angulares.

También existen bloques patrón para calibrar elequipo cuando empleamos palpadores dobles.

Ensayos radiográficos

Los rayos X son ondas electromagnéticas quepueden penetrar los materiales metálicos yno metálicos.

En particular, esta característica sirve

para analizar la estructura cristalina ytambién la macroestructura de las piezasmetálicas.

Los rayos X se producen cuando un filamen-to incandescente emite electrones, los cualesinciden sobre una placa anódica.

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En caso que su escuela disponga del equipode ensayo, es recomendable que los estudi-antes realicen las prácticas que hemospuntualizado.

Puede usted, además, plantear a su grupo:

• Usando el método de transparencia,¿cómo se ven los picos en el osciloscopiocuando tenemos en el interior de la piezaun defecto pequeño y uno grande? ¿Quéocurre con los picos del osciloscopio, si lapieza está libre de defectos pero el pal-

pador emisor no está perfectamente aline-ado con el palpador receptor?

• Usando el método de reflexión, ¿apareceel pico correspondiente a un defectoparalelo al haz ultrasónico? ¿Se visualizael eco de fondo, cuando el defecto abar-ca todo el ancho del haz ultrasónico?¿Cómo se visualizan los picos correspon-dientes a un pequeño defecto perpen-dicular al haz ultrasónico y muy cercanoal palpador? Y, ¿si el defecto estu-viese más alejado del palpador?


Esquemade un ensayoradiográfico

Detrás de la pieza a ensayar, se coloca unsobre que contiene una placa; esta placa estáformada por una base de acetato de celulosarevestida con una emulsión sensible a losrayos X.

Entre cada cara de la placa y el sobre, se ubicauna pantalla intensificadora para reforzar elcontraste. Todo este conjunto forma el chasis.

El chasis se pone en contacto con la muestraa radiografiar; luego, se aplica la radiaciónque atraviesa la muestra y llega a la placa sen-sible, produciendo el efecto fotográfico. Unavez finalizada la exposición de la pieza a losrayos X, la película debe ser revelada.

• Cuando los rayos X atraviesan un mmaattee--rriiaall ssiinn ffaallllaass, la película quedaimpresionada en forma uniforme, yaque recibe la misma cantidad de energíaradiante en todas sus partes.

• Cuando se trata de un mmaatteerriiaall ccoonn ffaallllaass,varía la cantidad de radiación absorbidapor cada sector del material. En las zonasen que la pieza tiene fallas, el materialtiene menor densidad y es atravesadopor mayor cantidad de radiación; en esazona, la película queda más impresiona-da y más oscuro el tono respectivo.

Para determinar el tiempo de exposición dela pieza a los rayos X, se utilizan gráficos pro-vistos por el fabricante de las películas.

Los iinnddiiccaaddoorreess ddee ccaalliiddaadd ddee iimmaaggeenn sonalambres o plaquetas del mismo material queel objeto a radiografiar y con espesores querepresentan el 1 %, 2 %, 3 %, etc. del espe-sor máximo del objeto a radiografiar.

El indicador se coloca en la superficie delobjeto que enfrenta a los rayos X y en elextremo más lejano.

El espesor del alambre más delgado visibleen la placa revelada, permite evaluar la cali-dad obtenida mediante el siguiente índice:

Se deduce que cuanto menor es el valor del índi-ce de calidad, mejor es la radiografía obtenida.

La radiografía es una técnica que tiene granaplicación en el control de soldaduras (tube-rías y recipientes a presión) como también enla construcción de puentes metálicos.

Para efectuar radiografías, existen instalacio-nes fijas y equipos móviles.

A título informativo, es interesante cono-cer que, además de usar rayos X, existe laposibilidad de usar rayos gamma –prove-nientes de la fisión de elementosradiactivos–. En este caso, habremos reali-zado una gammagrafía.

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No es posible realizar el ensayoradiográfico si en la escuela no sedispone del equipo adecuado.

En este caso, le sugerimos que susalumnos consulten bibliografía y/obusquen información de fabri-cantes de estos equipos, paraintegrar más conocimientos.

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• Askeland, Donald (2003) Ciencia e ingeniería de los materiales. InternationalThomson. México.

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Bibliografía

Serie: Desarrollo de contenidos - · PDF file• Diagramas binarios de insolubili-dad total...

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