Tecnologia de Materiales I Manual

Facultad de Estudios Superiores-Cuautitlán UNAM

Departamento de Ingeniería

LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES

Manual de prácticas

LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES I

e INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA DE MATERIALES

ING. ENRIQUE CORTES GONZÁLEZ M. en I. FELIPE DÍAZ DEL CASTILLO RODRÍGUEZ

CONTENIDO

1. EL MICROSCOPIO METALOGRÁFICO .............................................1

2. PREPARACIÓN DE MUESTRAS METALOGRAFICAS .....................6

3. PRUEBA DE DUREZA ROCKWELL ....................................................14

4. PRUEBA DE TENSIÓN ..........................................................................21

5. PRUEBA DE IMPACTO .........................................................................26

6. PRUEBA DE TORSIÓN .........................................................................35

7. DEFORMACIÓN PLÁSTICA Y RECRISTALIZACIÓN

DE UN METAL ...................................................................... .........41

8. RECONOCIMIENTO DE LOS CONSTITUYENTES DEL ACERO AL

CARBONO .......................................................................................45

BIBLIOGRAFÍA …………….....................................................................................48

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA LABORATORIO DE TECNOLOGIA DE MATERIALES

- 1 -

EL MICROSCOPIO METALOGRAFICO

PRACTICA 1

OBJETIVO

a.) Conocimiento y manejo del microscopio metalográfico.

INTRODUCCION

El microscopio metalográfico es un instrumento con un arreglo tal que permite observar la luz

reflejada por la superficie opaca del metal.

En el microscopio metalográfico más común, la probeta de metal se dispone en la parte superior

del aparato con la superficie a examinar vuelta a abajo. El objetivo se halla colocado abajo de la

platina, donde también se encuentra el haz de luz para iluminar la probeta.

El haz de luz atraviesa el objetivo y el ser reflejado por la probeta vuelve a pasar por este para dar

una imagen en el ocular de observación y/o en la película dispuesta en la cámara fotográfica.

El arreglo más comúnmente usado es el ideado por Le Chatelier. Es una inversión del sistema

objetivo-platina, figura 1.


- 2 -

Figura 1.- Microscopio metalográfico

MATERIAL Y EQUIPO

• Microscopio metalográfico provisto de ocular de 10X y objetivos de 6.5X, 10X y 40X

• Fuente de iluminación

• Probetas de diferentes materiales

PROCEDIMIENTO

1.- Conectar la fuente de iluminación al contacto y conectar esta al microscopio.

2.- Encender el microscopio observando las precauciones de uso.

3.- Colocar la probeta sobre la platina del microscopio.

4.- Seleccionar la resolución adecuada para la observación.


- 3 -

5.- Enfocar por medio de los tornillos macrométrico y micrométrico el campo a observar.

6.- En caso necesario ajustar el diafragma.

7.- Dibujar el campo observado en las resoluciones que indique el profesor.

PRECAUCIONES DE USO

1.- Al encender el microscopio, mantener la intensidad de luz lo más baja posible (controlada

por la perilla de la fuente de iluminación).

2.- Mantener apagada la fuente de iluminación mientras no se encuentre en uso el

microscopio.

3.- Las probetas a observar deben estar secas y libres de impurezas.

4.- Evitar rayar los oculares y objetivos.

a.) En caso de usar anteojos, quitárselos y observar sin ellos.

b.) Evitar que cualquier objeto extraño toque los objetivos y oculares.

c.) No desbastar ni pulir cerca del microscopio.

d.) Desplazar los tornillos (macrométrico y micrométrico) con lentitud para evitar que

el objetivo choque con la probeta.

GLOSARIO DE TERMINOS Y FORMULAS

G = Aumento total del microscopio

g1 = Aumento del objetivo

g2 = Aumento del ocular

d = Poder de resolución del objetivo, o sea la distancia mínima entre dos líneas separadas con

ese objetivo. Depende de la apertura numérica y de la longitud de onda.

a = Apertura numérica

λ = Longitud de onda


- 4 -

Además la apertura numérica (a) del objetivo, depende a su vez del índice de refracción del medio

de inmersión, por lo cual solo es válida para ese medio.

El ojo humano es capaz de separar dos puntos distantes entre sí 0.2 mm aproximadamente.

FORMULAS

G = g1 X g2 .... (1)

λ d = ────── .... (2) 2a

dojo G = ───────── .... (3) dobjetivo

CUESTIONARIO

1.- ¿Para qué sirven los tornillos macrométrico y micrométrico?

2.- ¿Qué se entiende por resolución?

3.- ¿Para qué sirven los diafragmas de campo?

4.- ¿Para qué sirven los diafragmas de abertura?

5.- Explique la técnica de campo obscuro.

6.- Explique la técnica de campo claro.


- 5 -

7.- PROBLEMA. Supóngase que se quiere observar una estructura laminar cuya separación

es de 0.2 micras, para lo cual se piensa utilizar un filtro verde (λ = 5300 Å), si se utiliza un

ocular de 10X.

a.) Determine el objetivo mínimo necesario para observar la estructura.

b.) Calcular la abertura del objetivo.


- 6 -

PREPARACIÓN DE MUESTRAS METALOGRÁFICAS

PRÁCTICA No. 2

OBJETIVO

1.- Aprender y poner en práctica una técnica para la preparación de muestras metalográficas.

INTRODUCCIÓN

La metalografía consiste en el estudio de la constitución y la estructura de los metales y las

aleaciones. La forma más sencilla de hacerlo es examinando las superficies metálicas a simple

vista. Las técnicas más avanzadas se basan en la amplificación de la superficie, mediante

instrumentos ópticos, para observar las características estructurales microscópicas.

La naturaleza submicroscópica de la estructura se estudia utilizando microscopios y

sondas, por la microscopía de iones de campo, diafractómetros electrónicos y de rayos-X,

dispositivos de exploración y otros dispositivos muy complejos.

Las técnicas submicroscópicas tienen su aplicación más importante en los laboratorios

de investigación. Los estudios ópticos microscópicos proporcionan resultados que son útiles no

solo a los científicos, sino también a los ingenieros. El examen de la microestructura es a veces

útil para determinar si un metal o una aleación satisface las especificaciones en relación con

trabajos mecánicos anteriores, tratamientos térmicos y composición general.

Un estudio de la microestructura nos permite llevar a cabo un análisis de fallas

metálicas y de esta forma controlar procesos industriales.

La metalografía de línea es un método para preparar muestras pequeñas de acero

blando con el fin de hacer un examen metalográfico. Los cinco pasos que casi siempre se

requieren para efectuar este tipo de pruebas son:


- 7 -

1. Hacer un corte transversal

2. Montaje

3. Desbastar

4. Pulir

5. Atacar con un reactivo químico adecuado.

CORTE TRANSVERSAL.- Por lo general, se deben cortar uno o varios trozos pequeños del

objeto que se va a examinar. La ubicación de estas muestras y la forma en que se corten

afectarán los resultados y su interpretación. por ejemplo, una varilla de acero estirada en frío

puede cortarse en tal forma que quede expuesta una sección transversal o longitudinal, y

ambas secciones variarán notablemente en su aspecto. En el caso del acero (y de algunas otras

aleaciones), es necesario evitar el calentamiento de la muestra al hacer el corte. Si el acero se

ha enfriado por inmersión en agua, el calor producido al hacer el corte puede ser suficiente

para templarlo y alterar el estado de la superficie, que más tarde deberá pulirse y atacarse con

ácido. Casi siempre es conveniente realizar los cortes, utilizando un medio refrigerante o

hacerlo lentamente, a fin de que el calor generado en la pieza no altere su estructura.

MONTAJE.- Si la probeta que va a examinarse es lo suficientemente grande para que pueda

sujetarse bien con la mano, no es necesario montarla. No obstante, la mayoría de las veces la

probeta es demasiado pequeña para que pueda sostenerse en forma (por ejemplo, un tramo de

varilla, alambre o lámina), mientras se esmerila o pule, por lo que en este caso, será necesario

montarla, utilizando para ello baquelita.

DESBASTE BURDO O GRUESO.- El desbaste grueso se logra mejor en un esmeril

húmedo de banco o en una acabadora de superficies de bandas húmedas. El objetivo del

esmerilado es obtener una superficie plana, libre de toda huella de marca de herramientas, y

en las que todas las marcas del esmerilado sigan la misma dirección. Se puede esmerilar en

seco a condición de que se tenga cuidado de no producir cambios estructurales por el

sobrecalentamiento de la muestra. Luego la muestra se lava y se seca antes de pasar de una

etapa de la operación de esmerilado a la siguiente.


- 8 -

DESBASTE MEDIANO.- Este proceso se efectúa usando lijas de grano cada vez más fino.

La lija se sostiene sobre una superficie plana y dura, que puede ser acero o vidrio, y la muestra

se talla sin seguir un movimiento oscilatatorio, sobre el papel de lija. Cuando se termina de

esmerilar con un tipo de lija, las marcas deben estar todas en la misma dirección, como se

indica en la figura 1. Antes de continuar con la siguiente lija más fina, deben lavarse y secarse

con cuidado tanto las manos como la muestra. Ahora, la muestra debe desplazarse en tal

forma que las rayas hechas por las distintas lijas formen ángulos rectos con las del

inmediatamente anterior. Así puede verse con claridad si se han eliminado las rayas más

gruesas que se hicieron en la operación anterior, como se puede apreciar en la figura 1.

Figura 1.- Desbaste a 90º en diferentes pasos.

PULIDO.- Este procedimiento se basa en el uso de la rueda cubierta con un paño,

cargada con una suspensión de alúmina. Periódicamente se deben aplicar unas gotas de

detergente en solución y agua, para mejorar la acción cortante y la limpieza. Al principio, la

muestra se sostiene en una posición sobre la rueda , sin hacerla girar, hasta que se hayan

eliminado la mayoría de las marcas anteriores. Luego puede hacerse girar con lentitud en

sentido contrario al de rotación de la rueda hasta que solo puedan verse las marcas dejadas

por la alúmina. La rotación de la muestra reduce a un mínimo el peligro de formación de

ranuras, por las que se extraen del metal partículas precipitadas.

Se procede a hacer el pulido final después de lavar con sumo cuidado tanto las manos

como la muestra, a fin de evitar cualquier contaminación de la rueda de pulido. A esta rueda


- 9 -

cubierta de tela se le aplica una suspensión de alúmina. La muestra se hace girar con lentitud

en sentido contrario al de la rotación de la rueda y se pule hasta que desaparecen las marcas

dejadas por la alúmina anterior.

Si los pasos descritos se realizan debidamente, este pulido no debe requerir más de dos

minutos. Los resultados del pulido pueden mejorar si la última etapa de pulido se efectúa en

una rueda de baja velocidad.

ATAQUE QUÍMICO.- Un reactivo común para atacar el acero es el nital, que consiste de 2

por ciento de ácido nítrico disuelto en alcohol etílico. El nital se vierte en un recipiente y la

muestra, lavada y secada previamente, se sumerge, agitándola suavemente durante un tiempo

que oscila entre 5 y 20 segundos, dependiendo del contendido de carbono del acero y del

tratamiento térmico previo. Inmediatamente después, se lava la muestra con agua corriente, se

enjuaga con alcohol y se seca mediante un chorro de aire.

Para otros metales y aleaciones se usan diferentes reactivos. Se recomienda la técnica

de frotación para ciertos metales y aleaciones en lugar de la técnica de inmersión.

MATERIAL Y EQUIPO

• Probetas cortadas de barras de acero con diferentes contenidos de carbono.

• Papeles abrasivos (lijas) números 100, 220, 320, 400, 500 y 600.

• Algodón

• Alcohol

• Nital al 2 %.

• Cortadora de metales o sierra provistas de refrigeración.

• Microscopio metalográfico provisto de ocular 10X y objetivo 40X.

• Alúmina con tamaño de partícula de 5 y 0.5 micras.

PROCEDIMIENTO

Consta de las siguientes etapas:


- 10 -

Desbaste.

1. Apoyar sobre la mesa de trabajo el papel abrasivo de grano más grueso.

2. Tomar firmemente la probeta y apoyar la cara elegida sobre la superficie del papel abrasivo.

Frotarla sobre éste arrastrándola longitudinalmente en un sólo sentido, ejerciendo una

presión suficiente como para eliminar las marcas originales, cuidando de conservar la cara

desbastada perfectamente plana.

3. Lavar la probeta en un chorro de agua corriente. Sacudir el exceso de agua sin tocar la

cara desbastada.

4. Repetir con el papel abrasivo del número siguiente llevando a cabo la operación de desbaste

ya descrita, con la probeta girada 90º respecto a la dirección anteriormente seleccionada.

5. Lavar como se dijo en la primea etapa. Las pasadas sobre el papel deberán seguirse hasta la

desaparición completa de las rayas dejadas por el papel anterior.

6. Repetir esta secuencia de operaciones, siempre girando la probeta 90º respecto de la

dirección anterior, en cada uno de los papeles abrasivos hasta llegar al más fino.

Pulido.

1. Agregar la suspensión acuosa de alúmina sobre el paño del disco y poner en marcha la

pulidora.

2. Tomar firmemente la probeta y apoyar la cara ya desbastada sobre el paño cuidando de que

la cara a pulir esté perfectamente paralela al disco, con el objeto de evitar que la probeta se

escape de la mano o que los bordes se redondeen.

3. La presión deberá ser tal que se logre hacer desaparecer en unos pocos minutos las rayas

del último papel abrasivo, cuidando de no excederse en la presión por el peligro del

desgarramiento del paño.


- 11 -

4. Durante la operación de pulido la probeta deberá desplazarse en la dirección del radio,

desde el borde hasta el centro del disco. La presión ejercida deberá ser ligeramente inferior

a la aplicada durante la operación de desbaste.

5. Lavar la probeta en un chorro de agua. Sacudir el exceso de agua sin tocar la cara pulida.

Enjuagar esta con alcohol. Secarla en corriente de aire seco o caliente, terminando el

secado con algodón. Observar en el microscopio a 400X. Si persisten las rayas provenientes

del desbaste en el último papel, continuar con el pulido en la forma ya descrita todo el

tiempo que sea necesario para que estas desaparezcan.

6. Las rayas más finas producidas por el paño durante el pulido y que se caracterizan porque

su dirección está desplazada 90º respecto de las rayas provenientes del desbaste, así como

también las "colas de cometa" generadas por las inclusiones dispersas en la matriz,

deberán ser eliminadas prolongando el pulido tanto como sea necesario, controlando esto

microscópicamente.

7. Finalmente, dibujar el campo observado.

Ataque Químico

1. Desengrasar con alcohol la cara a atacar de la probeta previamente pulida y secarla.

2. Tomar la probeta y sumergirla, con la cara pulida hacia abajo en el reactivo de ataque

contenido en el cristalizador. Mantener la probeta sumegida durante el tiempo que indique

el profesor.

3. Extraerla, lavarla con alcohol, secarla y observar al microscopio.

4. Registrar el campo observado a distintos aumentos.

5. Repulir y repetir la operación descrita anteriormente, cuando se sobreataque o le falte

ataque.


- 12 -

Examen Microscopico

La muestra se coloca en la platina de un microscopio metalográfico de modo que su

superficie esté perpendicular al eje óptico. Puede observarse con amplificaciones diferentes,

pero si se examina a 400X deben aparecer claramente las laminillas de la perlita en una

muestra de acero completamente recocido. Si por el contrario, el ataque con ácido ha sido

excesivo, la perlita será muy negra y las laminillas individuales aparecerán indistintamente. A

veces un repulido muy ligero, durante cinco o diez segundos, seguido de otro ataque químico ,

mejora la claridad de la imagen. Con frecuencia esto no es necesario si el ataque se produce

por frotación y no por inmersión.

CUESTIONARIO

1. Mencione los pasos fundamentales para preparar una muestra metalográfica.

2. ¿Por qué es necesario lijar o desbastar bajo la presencia de un flujo de agua constante?

3. Mencione los diferentes métodos de pulido existentes.

4. ¿Por qué es conveniente desplazar en dirección radial la probeta durante el pulido con

alúmina?

5. ¿Qué diferencias se observan entre una probeta de superficie distorsionada y otra sin

distorsión?

6. ¿Qué efecto tiene un ataque químico deficiente y un sobreataque?

7. ¿Por qué después del ataque químico se ven los límites de grano?

8. Dibujar las microestructuras observadas a 100x y 400x.

9. ¿Por qué mejora el aspecto de algunas microestructuras al repulirlas y volverlas a atacar?


- 13 -

10. Se recomienda agregar alcohol etílico a las probetas para secarlas en la última etapa del

pulido. ¿Por qué?


- 14 -

PRUEBA DE DUREZA ROCKWELL

PRÁCTICA No. 3

OBJETIVO

1.- Conocer la importancia de la medición de la dureza como prueba mecánica.

2.- Conocer las ventajas y limitaciones de la prueba de dureza Rockwell

INTRODUCCIÓN

Desde el punto de vista de la Ingeniería, la dureza se puede definir así:

• Resistencia a la penetración

• Resistencia a la deformación plástica localizada

• Resistencia al rayado

La dureza es función de otras propiedades mecánicas del material sobre todo de su limite elástico

y en menor grado de su tendencia al endurecimiento por trabajo y del módulo de elasticidad. Si se

tiene un material de composición dada y se conoce su historial, se puede relacionar su limite

elástico (para fines prácticos, la resistencia a la fluencia), con la resistencia a la tensión, su

ductilidad y su tenacidad, por tanto las pruebas de dureza pueden proporcionar datos de los que

se pueden derivar muchas propiedades mecánicas importantes, y, puesto que las pruebas de

dureza se pueden llevar a cabo fácil y rápidamente, se usan en forma amplia para controlar

procesos, así como un control de calidad para materiales y componentes.

Las pruebas de dureza comunes se basan en la aplicación lenta de una carga constante a un

penetrador o indentador que se abre paso sobre la superficie lisa de la muestra. Una vez que se

quita la carga, se mide el área o bien la profundidad de la penetración, lo cual indica la

resistencia a la carga.

En la figura 1 se resumen las pruebas de dureza más utilizadas hoy en día, tanto a nivel

industrial como en actividades de investigación.


- 15 -

Figura 1.- Pruebas de dureza más utilizadas.

De las pruebas ilustradas, una de más usadas en la industria es la prueba de dureza

Rockwell, habiendo muchas razones por las cuales esta prueba es tan popular, siendo algunas

de ellas las que a continuación se mencionan:

a) Es sencilla de realizar

b) La dureza se lee directamente en un dial o carátula

c) No requiere demasiado entrenamiento para poder realizar la prueba

d) Deja una huella muy pequeña en la pieza

e) Y se puede medir la dureza de una amplia gama de materiales, desde muy blandos

hasta los muy duros, como pueden ser los aceros templados y los carburos sinterizados.

Se emplean dos tipos de indentador en la prueba de dureza Rockwell : el penetrador cónico de

diamante (Brale) y el penetrador de esfera o bola (con diámetros de 1/16, 1/8, 1/4, ½ de

pulgada) que se ilustran en las figuras 2 y 3


- 16 -

Figura 2.- Indentador cónico de diamante (brale)

Figura 3.- Indentador de bola de 1/16 de pulg.

La prueba de dureza Rockwell utiliza dos cargas: Una carga inicial o precarga para asentar el

indentador en el material y una carga mayor o principal. La dureza real depende entonces de

la profundidad diferencial entre la precarga y la carga principal.

Tipos de pruebas Rockwell.- Hay dos tipos de dureza Rockwell: normal y superficial; cada

uno puede requerir el empleo de un durómetro distinto.

a) Prueba de dureza Rockwell normal.- Utiliza una carga menor de 10 kg y cargas principales

de 60, 100 o 150 kg.

b) Prueba de dureza Rockwell superficial.- Utiliza una carga inicial de 3 kg y cargas

principales de 15, 30 o 45 kg.


- 17 -

Precauciones previas a la prueba.- Para poder realizar la prueba deben tenerse las

precauciones siguientes:

a) Compruebe que el penetrador elegido no esté dañado ni desgastado

b) La superficie por probar debe ser plana y lisa

c) El yunque empleado debe estar limpio y sin daños

d) Si la pieza es redonda, rectifique una superficie plana para la prueba (si no es posible,

utilice los factores de corrección que se muestran en la tabla 1)

e) No realice la prueba demasiado cerca del borde de la pieza, o demasiado cerca una

medición previa.

f) La pieza debe tener un espesor adecuado para que no sea atravesada por el penetrador.

Tabla 1.- Factores de corrección para piezas cilíndricas


- 18 -

MATERIAL Y EQUIPO

• Durómetro Rockwell (figura 4)

• Juego de pesas

• Diferentes tipos de yunques

• Penetradores (de diamante y de bola de 1/16 pulg.)

• Probetas utilizadas en la práctica de preparación de muestras metalográficas.

Figura 4.- Durómetro Rockwell

PROCEDIMIENTO

1.- Escoja la combinación correcta de pesas (que se encuentran en la parte posterior de la

máquina) y penetrador de acuerdo a la escala seleccionada en función del tipo del material a

probar (una placa de datos montada en la máquina nos ayuda en dicha selección, junto con

las instrucciones relativas al uso de las escalas en negro y rojo de la carátula).


- 19 -

2.- Coloque la pieza a probar en el yunque adecuado.

3.- Asegúrese que la palanca de operación se encuentre colocada hacia el frente y que la

aguja grande o principal se encuentre en 0 negro (SET)

4.- Gire lentamente el manubrio para que el yunque suba como se muestra en la figura 5,

hágalo hasta que el penetrador toque la pieza de prueba.

Después de hacer contacto suavemente, siga girando el manubrio hasta que la aguja grande de

tres vueltas y se detenga en la posición de 0 negro (la aguja pequeña debe estar alineada con

el punto rojo). El error que puede tener la aguja grande es ±±±± 5 grados con respecto a la

posición de 0 negro.

5.- Con un golpe pequeño suelte la palanca de operación hacia atrás, la carga principal

comenzará a presionar poco a poco y el indentador penetrará en la pieza. La aguja girará y

cuando ésta se haya detenido totalmente (contra un tope), la palanca de operación debe

regresarse suavemente a su posición inicial.

6.- Anote la lectura registrada por la aguja grande en la escala adecuada (En la escala negra

sí sé ésta usando el indentador de diamante y en la escala roja sí sé ésta usando el indentador

de bola)

7.-Retire la carga menor, haciendo descender el yunque, lo cual se logra haciendo girar al

volante en sentido antihorario.

8.- Finalmente, coloque la muestra en posición para la prueba siguiente y repita el proceso.


- 20 -

Figura 5.- Manejo del durómetro Rockwell

CUESTIONARIO

1.- ¿Qué importancia tiene en la Ingeniería la medida de la dureza de un material?

2.- ¿Cuál es la diferencia entre dureza elástica y dureza plástica?

3.- Determinar la dureza de cada una de las muestras que le proporcionen en el laboratorio

4.- Mencione las diferentes escalas de dureza que existen para los metales

5.- ¿Por qué es necesario utilizar un factor de corrección cuando de toman medidas de dureza

Rockwell en barras cilíndricas con un diámetro menor a 1 pulg.

6.- El factor de corrección de la pregunta anterior se suma o se resta de las lecturas obtenidas.

7.- ¿ Por qué no se deben tomar mediciones demasiado cercanas entre sí?

8.- ¿ Por qué no se deben tomar lecturas demasiado cercanas a la orilla de la muestra?

9.- ¿En qué consiste la prueba de dureza Shore?

10.- ¿En qué consiste la escala de dureza Mohs?


- 21 -

PRUEBA DE TENSION

PRACTICA NO. 4

OBJETIVO

1.- Efectuar la prueba de tensión.

2.- Comprender el significado y limitaciones de este ensayo.

INTRODUCCION

La prueba de tensión es uno de los medios más útiles que se emplean para determinar las

propiedades mecánicas importantes de materiales de ingeniería. Los detalles de procedimiento de

la prueba varían de acuerdo con los diferentes tipos de material; sin embargo, en la prueba de

tensión ordinaria, aún cuando se trata de distintas clases de materiales el procedimiento se

efectúa a la temperatura ambiente o próxima a esta, y la carga de tracción se aplica lentamente.

También, hay pruebas a otras temperaturas y a niveles muy elevados de carga, así como con

cargas estáticas que se aplican durante largo tiempo; pero ninguna de estas se considera como

una prueba de tensión ordinaria. La exposición siguiente se refiere a las pruebas de tensión de

materiales metálicos hechas conforme a las especificaciones de la ASTM E8-61T.

En la figura 1 se ilustra una probeta cilíndrica estándar que se utiliza para una prueba de

tensión. Los extremos de esta probeta, que se sujeta con soportes aserrados, tienen un acabado

liso; para otros tipos de soportes se usan probetas con un borde o rosca en los extremos. La

probeta debe maquinarse simétricamente a lo largo de su eje longitudinal, para que la carga esté

distribuida uniformemente en el corte transversal.

Figura 1.Figura 1.Figura 1.Figura 1.---- Probeta normalizada para la prueba de tensión Probeta normalizada para la prueba de tensión Probeta normalizada para la prueba de tensión Probeta normalizada para la prueba de tensión


- 22 -

Las cargas se aplican ya sea mecánica o hidraúlicamente en los dos tipos de maquinaría de

pruebas existentes. El método mecánico de aplicar cargas tiene la ventaja de proporcionar un

medio conveniente para controlar la velocidad de deformación, aunque por lo general se prefiere

usar los sistemas hidráulicos. Debido a sus capacidades mayores y a su bajo costo.

Existen muchas marcas distintas de máquinas para pruebas de tensión. En el laboratorio se

dispone de una máquina marca Dillon, de marcha automática, con capacidad de carga de 5

toneladas, la cual se muestra esquemáticamente en la figura 2.

Figura 2.-

AGUJAS

DINAMOMETR0

MORDAZAS

VOLANTE

BASTIDOR

BASE


- 23 -

MATERIAL Y EQUIPO

• Máquina de tensión con todos los accesorios.

• Probetas de diferentes materiales.

• Calibrador vernier

PROCEDIMIENTO

1.- En la sección de corte de la probeta marcar longitudinalmente el centro, así como dos

puntos igualmente separados.

2.- Sujetar entre las mordazas la probeta, dando la suficiente fuerza para que no se recorra.

3.- Iniciar la prueba poniendo en marcha el motor que hace mover hacia abajo a la mordaza

no fija. La carga se registrará en el dial del dinamómetro.

CUESTIONARIO

1.- Determine el porcentaje de elongación (% εεεε) y el porcentaje de reducción de área (%R.

de A) de cada uno de los materiales utilizados en la prueba.

2.- Determine la resistencia o esfuerzo máximo a la tensión de los metales probados.

Lectura: Pmax σmax= ─────── Ao 3.- ¿Por qué retrocede la aguja roja en el dinamómetro de la máquina en la prueba de

tensión?

4.- ¿Qué carga se alcanza cuando se forma el cuello ó estrangulamiento de la probeta?


- 24 -

5.- Dibuje las dimensiones de la probeta utilizada en la prueba.

6.- Dibuje la fractura que se presentó y diga de que tipo es cada uno de los materiales

utilizados, de acuerdo a lo mostrado en la figura 3.

7.- Resuelva el siguiente problema: En una prueba de tensión se obtuvieron los siguientes

datos experimentales, de carga, alargamiento y otros.

do= 1.277 cm df= 0.8585 cm Carga Máxima

Af= lf= 5.8750 cm Pmax= 7808.8 kg

Ao= lo= 5.0800 cm Carga de Ruptura

Pr = 7037.0 kg

CARGA

kg

DIST. ENTRE PUNTOS

cm

ESFUERZO

kg/cm2

DEFORMACIÓN

cm

535.72 5.08508

1107.76 5.09016

1620.78 5.09524

2161.04 5.10032

2701.3 5.10540

4054.22 5.11810

5329.96 5.13080

6219.8 5.14350

6664.72 5.15620

6941.66 5.16840

7164.12 5.18160

7500.08 5.232240

7808.8 5.39750

7037 5.87502

a.-) Calcular los esfuerzos y las deformaciones en la tabla anterior.


- 25 -

b.-) Dibuje dos gráficas en papel milimétrico de esfuerzo deformación en dos escalas

de deformación diferentes apropiadas, una para la determinación de:

i. Esfuerzo de cedencia

ii. Módulo de elasticidad

iii. Límite proporcional

iv. Resistencia máxima

Otra para encontrar la tenacidad del material.

c.-) Calcule el porcentaje de elongación y el porcentaje de reducción de área del

material.

d.-) Determine el esfuerzo máximo a la tensión y el esfuerzo de ruptura.

e.-) Determine la resistencia del material.

Figura 3.- Fracturas típicas.


- 26 -

PRUEBA DE IMPACTO

PRACTICA No. 5

OBJETIVO 1.- Efectuar una prueba de impacto Charpy con una probeta entallada.

2.- Comprender el significado y las limitaciones de este tipo de pruebas.

INTRODUCCION

En la actualidad es un hecho conocido que el acero dúctil puede tener un comportamiento frágil

bajo ciertas condiciones. Por ejemplo, durante la Segunda Guerra Mundial se puso gran atención

a la fractura frágil de barcos construidos a base de soldadura, algunos de estos barcos se

partieron completamente en dos partes, mientras que otros solo mostraban fracturas en algunas

regiones. La mayoría de las fallas ocurrieron durante los meses de invierno; sin embargo, cabe

mencionar que las fallas por fractura frágil se tienen en tanques, recipientes a presión, tuberías,

puentes, etc.

Son tres los factores básicos que contribuyen a la fractura frágil por clivaje:

1. Un estado de esfuerzos triaxial.

2. Baja temperatura.

3. Una velocidad de deformación alta o una alta velocidad de aplicación de la carga.

No es necesario que estén presentes estos tres factores a la vez para que se produzca una fractura

frágil. Por ejemplo, un estado de esfuerzos triaxial, como el que se encuentra en una entalladura

y baja temperatura son los responsables de la mayoría de las fallas en servicios por fractura

frágil. No obstante, debido a que estos efectos se acentúan a una alta velocidad de aplicación de

carga, se hace uso de las pruebas de impacto para determinar la susceptibilidad de los metales a

la fractura frágil.


- 27 -

Los aceros poseen propiedades idénticas cuando se someten a ensayos de tensión o torsión, los

cuales involucran velocidades bajas de deformación, pueden mostrar grandes diferencias en su

tendencia a la fractura frágil cuando son sometidos a pruebas de impacto con probetas

entalladas.

APARATO PARA PRUEBAS DE IMPACTO CON PROBETAS ENTALLADAS.-Por lo general,

se fabrican máquinas para probar tanto vigas voladizas como simplemente apoyadas e incluso

algunas pueden usarse para probetas de tensión.

Básicamente, la máquina consiste en un péndulo de oscilación libre, montado en un cojinete, un

marco rígido y una prensa de tornillo o yunque para sostener la probeta. La energía del impacto

se hace variar cambiando la masa del péndulo, modificando la altura de la caída o mediante

ambos procedimientos. La energía que absorbe la probeta es la diferencia entre la energía que

queda después del impacto y la de entrada en el momento de producirse el impacto. Puesto que las

vibraciones pueden absorber energía, el péndulo y el sujetador de la probeta se diseñan de tal

forma, que el péndulo golpee a la probeta en su centro de percusión. El marco y el yunque deben

ser también muy rígidos para evitar que absorban energía por deformación. Las pérdidas por

fricción no pueden eliminarse totalmente, pero se pueden determinar y hacer las correcciones

necesarias cuando el caso lo requiera.

Después de que la muestra se rompe, el péndulo impulsa a una aguja indicadora de poco peso a

lo largo de una escala calibrada para indicar la lectura en pies-libras u otras unidades

equivalentes de energía absorbida por la muestra.

En la figura 1 se muestra el dibujo de la máquina para pruebas de impacto con probeta

entallada.

La magnitud del trabajo de deformación y destrucción se determina por la diferencia de la

energía potencial del péndulo en el momento inicial (después de la elevación del ángulo alfa) y

final del ensayo (después del despegue del ángulo beta).

∆E = P ( H - h ) ........ (1)


- 28 -

Donde: P = peso del péndulo

H = altura de elevación del péndulo

h = altura de despegue del péndulo

L = longitud del péndulo

h = L (1 - COS β)

H = L (1 - COS α)

Y por lo tanto: ∆E = PL (COS β - COS α) ....... (2)

Esta última fórmula sirve para el cálculo del trabajo Ah por los ángulos medidos α y β.

P y L son constantes.

Figura 1.- Máquina de péndulo típica para prueba de Charpy

PROBETAS PARA LA PRUEBA DE IMPACTO.- En la figura 2, se ilustran las probetas

estándar, tanto para la prueba de Izod (viga en voladizo) como para la prueba Charpy (viga

simplemente apoyada).

α

α

β


- 29 -

Esta última, consiste en una ranura que se calibra y que coincide con un hueco (en su base), cuyo

diámetro es ligeramente mayor al ancho de la ranura. La entalladura estándar en forma de V es

muy usada, debido a que se hace con facilidad utilizando una fresa especial. La profundidad de

las entalladuras debe ser mayor de 2.0 mm, si lo que se quiere es detectar diferencias de

tenacidad en materiales muy dúctiles.

Figura 2.- Probetas típicas para prueba de impacto

La diferencia entre las pruebas de Charpy y de Izod radica en la forma en que la probeta se

sujeta y se carga. La probeta Izod se carga como una viga voladiza, por ello su longitud es algo

mayor que la de la probeta de Charpy y la muesca es excéntrica para facilitar su sujeción en el

tornillo del banco del aparato. Ambas probetas se colocan en tal forma que produzcan esfuerzos

en la raíz de la entalladura. La probeta de Izod se sujeta mediante un tornillo de banco, mientras

que la de Charpy se coloca simplemente sobre sus soportes.


- 30 -

FACTORES QUE AFECTAN LOS RESULTADOS DE UNA PRUEBA DE IMPACTO.- En los

resultados de una prueba de choque con probeta entallada influyen:

1. El tamaño y la forma de la muestra.

Para la mayoría de los materiales metálicos usados en ingeniería, se han establecido normas bien

definidas respecto al tamaño y la forma de la muestra; así como la profundidad y lo pronunciado

de la entalladura. Los materiales plásticos tienen una tenacidad tan baja, que es necesario usar

muestras muy anchas. La tenacidad de los plásticos se expresa en kg-cm por centímetro (de

anchura de muestra).

2. La forma y lo pronunciado de la muesca.

La forma y lo pronunciado de la entalladura influyen en los resultados como se indica en la tabla

1. Los datos de la tabla 1 corresponden a probetas de Charpy estándar de acero que tienen

muescas de 5 mm y con radio de 0.07.

Tabla 1

Angulo de la muesca (grados) 0 30 60 90 120 150

Tenacidad Charpy (kg-m) 3.36 3.41 3.51 3.93 6.36 10.1

3. La temperatura de la prueba.

Los datos de la tabla 2 corresponden a muestra estándar de Charpy de acero con 0.05% de

carbono y una muesca de 2 mm.

Tabla 2.- Radio de la raíz de la muesca (mm) Agudo 0.17 0.34 0.68

Tenacidad de Charpy (kg-m) 0.61 0.17 1.25 2.08

Mientras menos profunda y aguda sea la muesca, mayor será la diferencia entre los resultados

obtenidos con materiales tenaces y los de poca tenacidad. No obstante, si la muesca tiene muy

poca profundidad, la probeta no se romperá, por lo que casi siempre se prefiere la profundidad de

2 mm. Puesto que es difícil labrar a máquina una muestra perfectamente aguda se ha adoptado

generalmente un radio de 0.25 mm para la mayoría de las pruebas.


- 31 -

El efecto de la muesca es concentrar esfuerzos triaxiales que restrinjan el flujo plástico y

aumenten el límite elástico del material. Cuando se produce una hendidura en la raíz de la

entalladura, el esfuerzo se intensifica enormemente y la hendidura progresa con rapidez a través

de la sección transversal. Sin la muesca, las probetas de muchos materiales sencillamente se

doblarían sin tener fractura y no podría detectarse su capacidad total para absorber energía. La

respuesta de los materiales a la presencia de cambios abruptos en su sección transversal es muy

variada.

La prueba de impacto con probetas entalladas constituye una forma apropiada de estudiar esta

respuesta, que se conoce como sensibilidad de entalladura de los materiales. La temperatura tiene

un efecto muy importante en los resultados de las pruebas de impacto de probeta entallada en

algunas aleaciones, sobre todo en los materiales de composición ferrosa. La resistencia al impacto

de una probeta entallada de estructura de acero cúbica de cuerpo centrado disminuye casi

siempre en forma brusca en el rango de temperaturas atmosféricas. Por ejemplo, un acero típico

puede presentar una reducción en tenacidad de 70 libra-pie a 10 libra-pie, en el rango de

temperaturas comprendido entre 80oF (27 ºC) y 40oF (4.5 ºC). De hecho, una de las aplicaciones

más importantes de los resultados de las pruebas con probetas entalladas es determinar la

viabilidad de los distintos aceros para uso en climas fríos.

APLICACION DE PRUEBAS DE IMPACTO CON PROBETA ENTALLADA.- Además de

proporcionar datos sobre la tenacidad, la sensibilidad de entalladura de los materiales y los

efectos de la temperatura, estas pruebas son útiles también para determinar si una secuencia de

proceso dada puede desarrollar el máximo de tenacidad en un material. Esto último es

especialmente útil en relación con las aleaciones ferrosas, en las que se puede usar una variedad

de ciclos de tratamientos térmicos para lograr un valor determinado de dureza o resistencia

elástica. Estos ciclos de tratamientos térmicos pueden tener un efecto variable en la tenacidad, por

ejemplo si se sobrecalienta la aleación antes de enfriarla por inmersión en agua, esta tiende a

engrosar el tamaño de los granos de austenita y afectar la tenacidad, aunque no perjudica mucho

su dureza. De la misma manera, algunas temperaturas y procedimientos de templado, que siguen

al endurecimiento, pueden ocasionar fragilidad (fragilidad de temple y de revenido) y pérdida de


- 32 -

tenacidad. La dureza de estas piezas indebidamente templadas es satisfactoria; pero no la

tenacidad, como lo demuestra la prueba de impacto con probeta entallada.

ASPECTO DE LA FRACTURA.- Las probetas que sufren fracturas siempre deben examinarse

con cuidado. Si su superficie es suave y lisa, ello indicará un tamaño de grano fino y ductilidad

en los aceros. Mientras que un aspecto grueso será indicación de fragilidad, falta de tenacidad y

probablemente un recalentamiento antes del endurecimiento. Con frecuencia se aprecian dos

zonas distintas, una suave y lisa, donde se inició la fractura dúctil, y otra de grano grueso, donde

se produjo la fractura frágil.

El aspecto de la fractura en barras para pruebas de tensión (de la práctica de tensión ver figura 3)

depende de la composición y el historial de la probeta. Los metales y aleaciones dúctiles sufren

fracturas de copa o fractura parcial de copa.

En los aceros templados de poco contenido de carbono se producen fracturas de estos mismos

tipos.

Si el acero tiene un alto contenido de carbono y si fue producido mediante un tratamiento térmico

tiende a producir una fractura estrella. El hierro fundido que carece de ductilidad, no produce

estrechamiento en forma de cuello de botella y tiene una superficie de fractura que tiende a

formar un plano en ángulos rectos a la dirección de carga.

MATERIAL Y EQUIPO

• Máquina de impacto de Charpy

• Probetas con muesca en V tipo Charpy

• Vernier

PROCEDIMIENTO 1.- Tomar medidas de todas las dimensiones de la probeta o probetas proporcionadas.

2.- Sin levantar demasiado el péndulo, colocar la probeta en el yunque, de tal forma que la

cara que contiene la entalladura quede opuesta al percutor. Es importante que la

entalladura y el percutor queden alineados (figura 3)


- 33 -

Figura 3.- Colocación de la probeta

3.- Cuidando de no meter las manos o los dedos en la trayectoria del péndulo, se levanta

este hasta su altura máxima (hasta el tope).

4.- En esa posición se fija el péndulo, poniendo el seguro para evitar que caiga.

5.- Se gira la aguja indicadora de la carátula a la posición en que coincida con 1.5 kpm (1.5

kg-m) de la escala graduada (que será la energía que tenga el péndulo al momento de

impactar con la probeta).

6.- De frente a la carátula (para evitar que nos golpee el péndulo) se gira la perilla del seguro

para dejar caer el péndulo.

7.- Después que el percutor ha golpeado la probeta se frena el péndulo con la palanca

colocada en la zapata inferior de la máquina.

8.- Una vez detenido el péndulo se procede a leer la energía que absorbió la probeta marcada

por la aguja indicadora en la carátula.

CUESTIONARIO

1.- ¿Por qué las probetas de la prueba de impacto tienen una pequeña ranura?


- 34 -

2.- ¿Cuál es el efecto general de la temperatura en la tenacidad del acero de bajo carbono?

3.- Dibuje las dimensiones de la probeta utilizada en la prueba.

4.- ¿Cuál es el área efectiva de la fractura (cm2)?

5.- ¿Qué valor se obtuvo en la prueba de impacto (kg - m)?

6.- Calcule la energía absorbida por unidad de superficie en la fractura.

7.- Dibuje el aspecto de la fractura de la muestra usada en la prueba de impacto.

8.- ¿Por qué cree usted que no se rompió totalmente la probeta? ¿Qué haría para que se

rompiera totalmente en la prueba?

9.- Diga que factores pueden alterar el valor obtenido en la prueba.

10.- Represente gráficamente los siguientes datos que corresponden a la prueba de impacto de

varias muestras de un mismo tipo de acero (papel milimétrico).

TABLA ANEXA

ENERGIA ABSORBIDA

(kg-m)

TEMPERATURA

(ºC)

17.28, 16.6, 16.31, 16.80 93.3

17.28, 16.18, 16.2, 17.0 82.2

16.45, 15.76, 15.83, 16.50 71.1

15.48, 15.21, 14.93, 14.70 60.0

16.04, 15.48, 14.79, 14.33 48.8

14.5, 12.9, 12.8, 10.5 37.7

11.05, 7.7, 6.90, 7.5 21.1

6.22, 3.87, 4.76, 5.05 4.4

4.4, 3.04, 2.9, 2.8 -12.2

3.3, 2.3, 1.80, 2.13 -17.7

2.20, 1.98, 1.70, 2.15 -28.8

1.50, 1.24, 0.96, 1.34 -40.0

1.5, 1.24, 1.10, 1.16 -51.1

2.2,1.5,1.24,1.35 -62.2

11.- ¿Cuál es el rango de la temperatura de transición?


- 35 -

PRUEBA DE TORSION

PRACTICA No. 6

OBJETIVO

1.-Determinar el módulo de elasticidad al esfuerzo cortante (G) de diferentes metales por medio

de un ensayo de torsión.

2.- Calcular el esfuerzo cortante en una barra de sección circular sometida a torsión

INTRODUCCION

Los elementos mecánicos como ejes, flechas y resortes se encuentran sujetos a momentos

torsionantes, debido a las cargas a que están sometidos. A fin de poder determinar la resistencia a

la torsión de un eje, es necesario realizar una prueba de torsión, la cual consiste en someter una

barra de sección circular a la acción de una carga P aplicada a una distancia Rp con respecto al

centro de la barra como se muestra en la figura 1.

Figura 1.- Barra sometida a torsión.

Considérense dos secciones A y B de una barra circular sometida a torsión, figura 2, en la que:

Mt = Momento torsionante, dado en kg-cm.

L = Longitud entre las secciones A y B de la barra circular, dada en cm.


- 36 -

rb = Radio de la barra circular, dado en cm.

γ = Es el ángulo de giro o ángulo de torsión de un eje entre dos secciones (A y B), dado en

radianes.

θ = Angulo que gira la barra al ir del punto C al punto D, dado en radianes.

Si se considera el arco CD, de la figura 2 se puede ver que está relacionado con el ángulo γ de la

siguiente forma:

Arco CD = Lγ = rb θ En donde:

rb γ = ─── θ .......................(1) L

Figura 2.- Condiciones de prueba

Por otra parte se demuestra en mecánica de materiales que el ángulo θ es directamente

proporcional al momento torsionante y está dado por la ecuación:

Mt L θ= ──── .......................(2) G J

Despejando a G se obtiene:

γ


- 37 -

Mt L G= ───── ....................(3) θ J Donde:

G = Módulo de elasticidad al esfuerzo cortante en kg/cm2

J = Momento polar de inercia en cm4

Para una sección circular J está dado por:

ππππ.(db)4

J = ─────── ...............(4) 32

Con db = diámetro de la barra circular en cm.

Para una barra de sección transversal circular la distribución de los esfuerzos cortantes es como

se muestra en la figura 3. Dentro del rango elástico de esfuerzos, la deformación es proporcional

al esfuerzo, lo cual se expresa por la relación:

ττττ = G γ ..................(5)

Sustituyendo (1) y (3) en (5) se obtiene:

Mt rb

ττττ = ────── .............(6) J La cual nos permite calcular el esfuerzo cortante a una distancia rb con respecto al centro de la

barra. En general, se puede expresar la ecuación (6) como:

Mt r

ττττ = ───── ..............(7) J


- 38 -

Donde:

r = Distancia desde el centro a un punto a lo largo del radio de la sección transversal de la barra.

Figura 3.- Variación del esfuerzo cortante a través de una sección circular.

MATERIAL Y EQUIPO

• Aparato de torsión con pesas y medidor de carátula.

• Barras de bronce y acero de diferentes diámetros.

• Regla.

• Vernier.

PROCEDIMIENTO

1.- Arregle el aparato sobre una mesa de trabajo de tal manera que la polea y el soporte para

las pesas queden en un extremo de la mesa dejando suficiente espacio para que se puedan

colgar estas.

2.- El momento torsionante (Mt) se puede aplicar poniendo el cordel de las poleas o poniendo

pesos al brazo de la palanca.

3.- La barra de metal a experimentar se sujeta con los prisioneros en ambos extremos del

aparato de torsión.

4.- Las ranuras deberán estar directamente abajo de los prisioneros.

5.- El ángulo de torsión θ se puede medir por medio de un brazo sujeto a la barra y un

medidor de carátula sujeto al bastidor del aparato.

ττττ


- 39 -

6.- Cada vuelta del medidor de carátula equivale a un milímetro de desplazamiento.

CUESTIONARIO

1.- Determinar el módulo elástico al corte (G) de un metal.

a) Comparar el ángulo de torsión θ de la barra de sección circular con el momento

torsionante Mt que lo produce. La longitud de la barra bajo giro permanece constante.

Obtenga los siguientes datos:

- Diámetro de la barra (db)

- Longitud de la barra (L)

- Material de la barra

- Diámetro de la polea que se va a utilizar (Dp)

- Longitud del brazo sujeto a la barra (R)

Llene la siguiente tabla con lecturas y cálculos:

CARGA

(kg)

DESPLAZAMIENTO

S (mm)

MOMENTO

TORSIONANTE

Mt (kg-cm)

ANGULO DE

TORSIÓN

θθθθ (rad)

MODULO DE

ELASTICIDAD AL

CORTE G(kg/cm2)

0.2 0.4 0.7 0.9 1.2 1.7 1.9 2.2 4.2

Prom.

NOTA:

Para medir el ángulo de torsión por medio del medidor de carátula se tendrá en consideración lo siguiente: Si θ es pequeño S ≈ S1 (figura 4) y por lo tanto:


- 40 -

S θ = ──── (radianes)

R

Figura 4.-

2.- Grafique el momento torsionante (Mt) en función del ángulo de torsión θ (papel

milimétrico).

Mt (kg-cm)

θ (radianes)

a) Por medio de mínimos cuadrados obtenga la relación de Mt/θ.

b) Compare el módulo de elasticidad al corte (G) con el valor encontrado en la bibliografía.

c) Determinar el esfuerzo máximo cortante al que fue sometida la barra.

3.- Realice los mismos cálculos para otro material (acero ó bronce).

S1 θ


- 41 -

DEFORMACIÓN PLÁSTICA Y RECRISTALIZACION DE

UN METAL

PRÁCTICA No. 7

OBJETIVO

1.-Estudiar los efectos de la deformación plástica sobre las propiedades de un metal

2.- Estudiar el efecto del recocido sobre un metal previamente trabajado en frío

INTRODUCCIÓN

La mayor parte de materiales cuando son sometidos a un esfuerzo mayor a su resistencia a la

fluencia muestran una deformación permanente o no recuperable llamada deformación

plástica, siendo esta el resultado de un desplazamiento de átomos ó moléculas o de grupos de

átomos ó de moléculas desde su posición original en la red, esto quiere decir que los átomos

no regresan a su posición inicial una vez que el esfuerzo ha dejado de actuar.

Los materiales cristalinos como son los metales sufren deformación plástica como resultado

del deslizamiento de los átomos a lo largo de planos cristalográficos definidos. Cuando la

cantidad de deslizamiento aumenta, será más y más difícil seguir deformando al metal, hasta

que el flujo plástico finalmente cesa para un esfuerzo dado. El deslizamiento puede iniciarse

otra vez únicamente cuando se aplica un esfuerzo mayor. Este fenómeno se conoce como

“endurecimiento por deformación” ó endurecimiento por trabajo en frío. Ambos términos se

aplican alternativamente y no son equivalentes a decir que el esfuerzo de corte necesario para

causar deslizamiento aumenta siempre después de una deformación plástica previa.

La deformación plástica de metales bajo la acción de una fuerza aplicada es de gran

importancia en la fabricación y formado de metales. Debido al efecto de endurecimiento por

deformación hay un aumento considerable en la dureza, resistencia a la fluencia y resistencia

mecánica de los metales trabajados en frío, aunque también se presenta una marcada

disminución en la ductilidad y tenacidad de un metal como se puede apreciar en la figura 1.


- 42 -

Figura 1.- Variación de algunas propiedades mecánicas en función del porcentaje

en frío del latón Cu+ 30 Zn (porcentaje en peso)

Al calentar un metal previamente trabajado en frío a una temperatura suficientemente alta

(aproximadamente 1/3 de la temperatura de fusión del metal en ºK) se eliminan la mayoría de

los efectos causados por el trabajo en frío, los cuales no son termodinámicamente estables,

recuperando el metal sus propiedades iniciales.

MATERIAL Y EQUIPO

• Elementos para desbaste

• Elementos para pulido mecánico

• Reactivo de ataque

• Yunque y martillo

• Microscopio metalográfico

• Mufla

• Durómetro

• Probeta de latón

PROCEDIMIENTO 1.- Cortar la probeta de aproximadamente 2.5 cm de espesor (ó longitud)


- 43 -

2.- Desbastar la cara elegida, pulirla y atacarla con el reactivo adecuado

3.- Con ayuda del microscopio observar la estructura de la probeta y dibujarla

4.- Medir su dureza

5.- Colocar la probeta en el yunque y golpearla (con mucho cuidado) hasta disminuír su

espesor en un 50 %.

6.- Repulir, atacar y observar nuevamente al microscopio, dibujando el nuevo campo

observado.

7.- Medir nuevamente la dureza.

8.- Recocer la temperatura a 500 ºC durante 2 horas.

9.- Desbastar, pulir y atacar la misma cara original dibujando el nuevo campo.

10.- Finalmente, mida nuevamente la dureza en la cara de trabajo.

CUESTIONARIO

1.- Sobre la base de las observaciones hechas y las mediciones de dureza describa el fenómeno

de deformación plástica y recristalización de un metal.

2.- ¿Cuáles son las tres principales etapas metalúrgicas que se presentan durante el

tratamiento térmico de recocido?

3.- ¿Cómo se diferencian las bandas de deslizamiento de las bandas de deformación?

4.- ¿Cuáles son los cinco factores importantes que afectan al proceso de recristalización de los

metales?

5.- Una lámina de latón Cu + 30 Zn (porcentaje en peso) es laminada en frío de 0.090 a 0.064

pulg. a) ¿Qué cantidad de trabajo en frío debe soportar la varilla (ver figura 1)


- 44 -

b) Estimar la resistencia a la tensión, el esfuerzo a la fluencia y el porcentaje de

elongación.

6.- Una varilla de latón Cu + 30 Zn (porcentaje en peso) debe tener una resistencia a la

tensión de 45 ksi y un diámetro final de 0.230 pulg. a) ¿Qué cantidad de trabajo en frío debe

soportar la varilla (figura 1) .

b) ¿Cuál debe ser el diámetro inicial de la varilla?


- 45 -

RECONOCIMIENTO DE LOS CONSTITUYENTES

DEL ACERO AL CARBONO

PRACTICA No. 8

OBJETIVOS

1. Distinguir los constituyentes y las fases de los aceros al carbono.

2. Encontrar la dureza del acero de acuerdo al contenido de ferrita y perlita.

INTRODUCCIÓN

Estrictamente hablando, los aceros al carbono son aleaciones formadas únicamente por

hierro y carbono. Sin embargo, en la práctica un acero al carbono contiene un porcentaje muy

pequeño de otros elementos, los cuales podemos considerar que están presentes como impurezas,

ya que no es costeable tratar de eliminarlos durante el proceso de obtención del acero. Dentro de

estos elementos podemos mencionar al silicio, manganeso, fòsforo y azufre.

Si consideramos al hierro puro, podemos distinguir tres fases sólidas: alfa ( α ) , gama

( γ ) y delta ( �δ ) . Estas tres fases se conservan para las aleaciones Hierro-Carbono (ver

diagrama de fases), en las cuales la fase alfa recibe el nombre de ferrita y la fase gama

recibe el nombre de austenita. Podemos encontrar así mismo los constituyentes perlita y

cementita.

Cabe mencionar que las fases anteriores estarán presentes en un acero al carbono,

cuando las condiciones de enfriamiento del acero desde el estado líquido se llevan acabo en

condiciones de equilibrio.

Dependiendo del contenido de carbono, las propiedades mecánicas del acero al

carbono varían. Entre las propiedades más importantes podemos mencionar:

a) Resistencia a la cedencia


- 46 -

b) Resistencia máxima a la tensión

c) Ductilidad

d) Dureza

e) Tenacidad

f) Módulo de elasticidad

Es importante tener presente que para un acero al carbono el contenido de carbono y

la dureza guardan una relación estrecha.

Aquí obtendremos la relación entre el contenido de carbono y la dureza.

MATERIAL Y EQUIPO

• Microscopio con una combinación para observar a 400X.

• Probetas de acero ya preparadas de diferentes contenidos de carbono,

• Durómetro

PROCEDIMIENTO

1. Observar al microscopio e identificar los constituyentes para cada una de las probetas.

2. Dibujar el campo o estructura observado en ellas.

3. En base a las observaciones hechas determinar aproximadamente la cantidad de carbono, y

a partir de esto, cual de todas las probetas tendrá la mayor dureza y así sucesivamente

con las siguientes probetas.

CUESTIONARIO

1. Diga que porcentaje aproximado de perlita tiene cada una de las muestras determinando la

cantidad del área que ocupa en el campo observado.

2. Diga que cantidad de fase proeutectoide tiene cada una de las muestras.

3. Determine la cantidad de carbono (%C) aproximadamente de cada una de las muestras.

Para ello haga uso del diagrama Fe-C y de la regla de la palanca.


- 47 -

4. ¿Qué relación puede obtener usted entre el contenido de carbono (%C) y la dureza a partir

de los datos anteriores.

5. Diga como varía la ductilidad de un acero con el contenido de carbono (%C).

6. Diga como varía la resistencia máxima a la tensión con el contenido de carbono (%C).

7. De acuerdo a la pregunta anterior ¿Cuál de las probetas debe ser la más resistente?

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

0.69

0.800.02

2.03

2.05

1153

1147

4.25

4.30

730

723

1493

0.51

1390

1534oo

o

o

o

910

500

o

o

o

o

C % (EN PESO)

Figura 1.-Diagrama de fases hierro-Fe3C

δδδδ

α α α α

γ γ γ γ


- 48 -

BIBLIOGRAFÍA

1.- Técnicas de Laboratorio para Pruebas de Materia les. Carl A. Keyser LIMUSA. México. 1986 2.-Metallography, Principles and Practice. George F. Vander Voort Mc. Graw Hill. U.S.A. 1984 3.- Ciencia de Materiales para Ingeniería. Peter A. Thornton y Vito J. Colangelo Prentice Hall. México. 1987. 4.-Metalografía Práctica. Felipe A. Calvo Editorial Alhambra. España. 1972 5.- Introducción a la Metalurgia Física Sidney H. Avner Mc. Graw Hill. México. 1990 6.- Mechanical Behavior of Materials Norman E. Dowling Prentice Hall. U.S.A. 1993 7.- La Ciencia e Ingeniería de los Materiales Donald R. Askeland International Thomson Editores. México. 1998. 8.- Mecánica de Materiales R.C. .Hibbeler Prentice-Hall Hispanoamericana. México. 1998. 9.- Mecánica de cuerpos deformables Edward F. Byars y Robert D. Snyder Representaciones y Servicios de Ingeniería. México . 1978 10.- Metals Handbook American Society for Metals. U.S.A. 8 th. Edition.

Tecnologia de Materiales I Manual

Documents

Transcript of Tecnologia de Materiales I Manual