Fundamentos de Ciencias materiales

FUNDAMENTOS DE CIENCIAS MATERIALES
PRÁCTICAS DE LABORATORIO
ENSAYO DE DUREZA
−DUREZA BRINELL
−DUREZA VICKERS
−DUREZA ROCKWELL
ENSAYO DE TRACCIÓN
ENSAYO DE COMPRESIÓN
ENSAYO DE RESILIENCIA
−ENSAYO IZOD
−ENSAYO CHARPY
: Los ensayos de materiales son procedimientos normalizados destinados a determinar propiedades y
características, y el comportamiento de los materiales en servicio.
Los ensayos de materiales sirven principalmente para:
1. La caracterización de materiales.
2. Control de calidad, al principio, durante y al final del proceso. Permite conocer que el material sigue
poseyendo las propiedades exigidas.
3. Determinación de fallos en servicio, permitiendo también analizar las causas de los fallos.
ENSAYO DE DUREZA
El ensayo de dureza permite conocer la dureza de los materiales. Es difícil definir la dureza. Depende del
ensayo que empleemos. Podríamos definir como la resistencia superficial a la deformación plástica,
entendiendo como plasticidad la capacidad de un material para no recuperar su estado inicial una vez cesa la
fuerza que lo deformaba.
La dureza metalúrgica es la resistencia que opone un material a la penetración de otro mas duro que él. Cuanto
mayor es la penetración, mas blando es el material. Como ya se ha dicho, el valor obtenido depende del
ensayo con que le hemos obtenido. Obtendremos entonces tantas durezas como tipos de ensayos. Se pude
hablar de tipos de ensayo o tipos de dureza.
Primer ensayo. Ensayo Brinell.
• Objetivo:
1
Es obtener al dureza a una penetración estática (dureza estática). Trata de aplicar una fuerza con el penetrador
durante un tiempo determinado, de tal manera que se genere una huella permanente en el material. El
penetrador no presenta ninguna deformación superficial.
• Modo operativo.
El penetrador es una bola de acero cuyo diámetro puede ser de 1,25; 2,5; 5; 7 y 10 mm. En este ensayo
utilizaremos una esfera de 2,5 mm de diámetro.
Esta máquina utiliza una carga de 10 Kg, pero no como precarga, sino para su correcto funcionamiento. La
dureza Brinell se obtiene sin precarga, solo mediante la fuerza aplicada por la máquina. Midiendo el diámetro
de la huella que deja, con un microscopio o lupa, se determina la dureza:
Ateniéndonos a la definición, el número de dureza Brinell (como esfuerzo de contacto), es la relación de la
carga P que efectúa el indentador esférico de diámetro D, al área de la superficie de la huella.
En la práctica se usa la siguiente fórmula de trabajo:
Se debe tener sumo cuidado en que el diámetro de la huella esté entre el 25% y 60% del diámetro de la bola.
Es decir, para las condiciones estándar (bola de 0 mm), el diámetro de la huella debe estar entre 2,5 y 6
mm. En la literatura se considera que la huella ideal es de d= 0,375 D.
• Resultados.
Material
Escala
Penetrador
Acero F114
Brinell
Bola 10 ø
Cobre
Brinell
Bola 2,5 ø
Aluminio
Brinell
Bola 2,5 ø
• Conclusiones y limitaciones del ensayo.
Carga preliminar
No
No
No
Carga total
3000 Kg.
62,50 Kg
31,25 Kg
Resultado
178.5 HB
86.8 HB
108.9 HB
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Las limitaciones son:
• Solo se pueden medir materiales blandos, hasta aproximadamente 400 HB. El máximo posible con la bola
mas dura es de 725 HB.
• Han de tener un espesor mínimo las piezas a ensayar, de aproximadamente unas 10 veces el espesor de la
huella.
• Ha de haber una distancia hasta el borde de la pieza y tampoco pueden hacerse muy próximas entre ellas, ya
que en los bordes de las huellas aparece la acritud (dureza por deformación).
• No pueden suceder golpes ni vibraciones para una lectura correcta.
Segundo ensayo. Ensayo Vickers.
• Objetivo.
Es obtener al dureza a una penetración estática (dureza estática). Trata de aplicar una fuerza con el penetrador
durante un tiempo determinado, de tal manera que se genere una huella permanente. El método Brinell, ya
estudiado, posee una serie de insuficiencias. Con dicho método no se puede ensayar probetas si su dureza se
aproxima a la dureza de la bola, porque ésta sufre deformaciones que alteran los resultados del ensayo. Si se
utilizan bolas de acero este hecho limita la prueba Brinell a durezas máximas HB 400...500, si se usan bolas
de carburo se limita a durezas HB 630. A causa de la gran profundidad de la impronta es imposible determinar
la dureza de la capa superficial especialmente tratada, porque la bola penetra a través de esta capa a la parte
interior más blanda. La medición del diámetro de la impronta a veces no es exacta a causa de que el metal
desalojado por la bola se acumula cerca de los bordes de la impronta. Por esto surgió la necesidad de hallar
otros métodos de determinación de la dureza.
• Modo operativo.
Para obtener la dureza Vickers de la superficie de un material se presiona contra la probeta un indentador
piramidal de diamante con ángulo entre sus caras = 136°. La pirámide se mantiene algún tiempo bajo la
carga P . Luego de retirada la carga se miden las dos diagonales de la impronta dejada, con ayuda de un
microscopio. El valor medio de las diagonales (d) y el valor de la carga se sustituyen en la fórmula de trabajo
para obtener el valor de la dureza Vickers. En las mismas condiciones se realizan varias indentaciones más.
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Las cargas sobre el penetrador van desde 1 hasta 120 Kg. El tiempo a mantener la carga está fijado en 30
segundos en España.
Debido a que el valor del ángulo es constate e igual a 136°, en la práctica se usa la siguiente fórmula de
trabajo:
• Resultados.
Material
Escala
Penetrador
Acero F114
Vickers
Pirámide diamante
• Conclusiones y limitaciones del ensayo.
Carga preliminar
No
Carga total
100Kg
Resultado
201.5 HV
La utilización de una pirámide de diamante tiene las siguientes ventajas: 1) las improntas resultan bien
perfiladas, cómodas para la medición; 2) la forma de las improntas es geométricamente semejante, por lo cual
la dureza para un mismo material es constante, independientemente de la magnitud de la carga; 3) la dureza
con la pirámide coincide con la dureza Brinell para los materiales de dureza media; 4) este método es
aplicable con igual éxito para los materiales blandos y duros, y sobre todo para los ensayos de probetas
delgadas y las capas superficiales.
También hay que tener las siguientes precauciones:
a) Ha de haber una distancia hasta el borde de la pieza y tampoco pueden hacerse muy próximas entre ellas,
ya que en los bordes de las huellas aparece la acritud (dureza por deformación).
• No pueden suceder golpes ni vibraciones para una lectura correcta.
• Para la escoger la magnitud de la carga nos basamos en criterios de conveniencia, debemos recordar que el
método Vickers posee semejanza geométrica interna y en un principio es indiferente la carga aplicada. Sin
embargo una carga muy alta puede causar que el indentador penetre más allá de la capa superficial a la que
se desee medírsele la dureza, de otro lado una impronta muy pequeña es difícil de medir y las
imperfecciones geométricas de la pirámide influyen en la precisión del método.
Tercer ensayo. Ensayo Rockwell
• Objetivo.
Los métodos Brinell y Vickers, ya estudiados, poseen la insuficiencia principal de que la medición de las
características geométricas de la impronta toma cierto tiempo, además dicha medición a veces no es exacta a
causa de que el metal desalojado por la bola se acumula cerca de los bordes de la impronta. Por esto surgió la
necesidad de desarrollar otros métodos de determinación de la dureza llevando al desarrollo de métodos como
el Rockwell, en el cual la medición de la dureza es mucho más ágil y objetiva. El método de Rockwell aunque
es un método de indentación no pretende de manera directa medir la dureza a través de la determinación
directa de la magnitud de los esfuerzos de contacto, sino que la define como un número arbitrario,
inversamente proporcional a la penetración del indentador.
• Modo operativo.
El esquema de determinación de la dureza según Rockwell se expone en la siguiente figura
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Al comienzo el indentador penetra un poco en la superficie de la muestra bajo la acción de la carga previa P0,
la cual se mantiene hasta el final del ensayo. Esto garantiza una mayor exactitud del ensayo ya que excluye la
influencia de las vibraciones y de las irregularidades de la delgada capa superficial. Después se expone la
probeta a la acción de la carga total Pf = P0 + P1 , y la profundidad de penetración aumenta. Luego de
retirada la carga principal P1, en el sistema probeta−indentador ocurre una recuperación elástica, ya que sobre
el actúa sólo la carga previa P0, siendo posible la medición de la profundidad de penetración h, la cual
determina el número de dureza Rockwell (HR).
Entre el número de Rockwell y la profundidad de la impronta h existe la siguiente dependencia:
Para el cono de diamante
Para las bolas de acero
De estas fórmulas se deduce que cada unidad de dureza Rockwell corresponde a una penetración de 0,002 mm
y que el valor de dichas unidades debe ser restado de cierto tope para que haya coherencia: a menor
profundidad de penetración mayor será el número de Rockwell y viceversa.
En la práctica no hay necesidad de usar estas fórmulas, ya que los indicadores de las máquinas de Rockwell de
manera automática realizan estas operaciones mostrando directamente el número de dureza en sus diales. Esta
característica granjeó para este método un gran popularidad.
• Resultados.
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Material
F114
templado
F521
Escala
Penetrador
Carga preliminar
Carga total
Resultado
Rockwell C
Cono diamante
10 Kg.
150 Kg
54.3 HRC
Cono diamante
Esfera 1/16
F114 recocido Rockwell B
pulgadas
Fundición
Rockwell C
Cono diamante
Esfera 1/16
Fundición
Rockwell B
pulgadas
Esfera 1/16
Chapa Al
Rockwell B
pulgadas
• Conclusiones y limitaciones del ensayo.
10 Kg.
150 Kg
54 HRC
10 Kg.
100 Kg
85.1 HRB
10 Kg.
150 Kg
11 HRC
10 Kg.
100 Kg
97 HRB
3 Kg.
15 Kg
72 H RB
Rockwell C
Las probetas deben ser limpiadas para retirar el óxido, suciedad y escamas de una de sus caras donde se
realizarán las mediciones, se debe tener especial cuidado en no calentar la superficie durante el procedimiento
de limpieza. La probeta debe ser montada de tal forma que la superficie esté en la normal del eje del
indentador.
Las esferas deben tener una dureza Vickers (HV) de al menos 850.
ENSAYO DE TRACCIÓN
• Fundamento de ensayo. Forma de realizar el ensayo. Estudio de las probetas.
Son ensayos mecánicos y destructivos. Este es el ensayo mecánico más importante. Da resultados como la
resistencia mecánica, elasticidad, tenacidad, estricción...
El ensayo más característico consiste en someter a la probeta a un esfuerzo de tracción hasta que se rompe. Se
va aumentando el esfuerzo y anotando las deformaciones, para luego representarlo gráficamente. Es un ensayo
estático, la carga se aplica muy lentamente. Se usan probetas normalizadas. Para el ensayo son cilíndricas con
un cuerpo central y dos cabezas de mayor diámetro. En plásticos y soldaduras se usan planas. Pueden tener
una longitud entre marcas cualquiera (lo), pero han de cumplir la ley de semejanza. l / "So= 5,65
Como la probeta puede no romper por el centro se hacen tres marcas de lo, central y próximas a las cabezas.
• Análisis de la información obtenida en el ensayo. Estudio de los puntos más importantes en el
diagrama Esfuerzo−Deformación. Comparación de distintos diagramas, según diferentes materiales.
Análisis de la fractura.
Información obtenida en el ensayo:
• Tensión normal unitaria: fuerza o carga aplicada por ud. de longitud(): =F/So.
Tramos:
1º Tramo: en esta zona las deformaciones son proporcionales a las tensiones aplicadas. Se cumple la ley de
Hooke. E = /
• Limite real de elasticidad (e). Es el mayor esfuerzo que, al dejar de actuar, no produce ninguna
deformación permanente. Como este valor es muy difícil de medir (requiere instrumentos de gran
precisión), en la práctica se toma la tensión unitaria que produce un alargamiento del 0.003%.(e(0.003%))
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• Limite de proporcionalidad, es la tensión por encima de la cual la deformación deja de ser proporcional al
esfuerzo aplicado.(Donde la gráfica deja de ser recta y empieza a curvarse)
2º Tramo: esta es la zona de deformación permanente. La cesar la carga queda una deformación residual. Al
final de este tramo hay que aumentar considerablemente la tensión para llegar al 3º tramo.
• Limite de fluencia o límite elástico aparente (f): es la tensión a partir de la cual las deformaciones se
hacen permanentes. Existen limites superiores e inferiores. No todos los materiales presentan fluencia.
Cuando esto ocurre se da el limite elástico convencional. Es la tensión que aplicada durante 10 segundos
deja una deformación permanente del 0.2% (e(0,2%)) Este valor es el mas utilizado y da lugar a la tensión
admisible. ads<e(0.2%)/coef.seguridad
3º Tramo: es el tramo de estricción y ruptura. Al llegar a este tramo la probeta empieza a estrecharse, las
cargas disminuyen y la probeta acaba por romperse.
• Resistencia mecánica o resistencia a la tracción. Es la carga máxima por ud de superficie. También llamada
carga de ruptura. r= Fmax/So.
• Tensión ultima(u): es la tensión en el momento de la ruptura por ud de superficie. u ç=Fu/So.
• Alargamiento en la ruptura(): =((l−lo)/lo)x100
• Estricción() :da idea de la ductilidad del material. =((So−S)/So)x100
• Tenacidad: es la capacidad del material en la deformación y rotura de la probeta. La tenacidad viene
representada en la gráfica como el área bajo la curva.
• Trabajo elástico: T elas. = 1/2 eV.
• El tipo de ruptura también habla sobre el tipo de material ensayado: una rotura recta, sin apenas
deformación denota que estamos ante un material frágil. Una rotura deformada o con la característica
copa−cono es propio de un material dúctil.
Un grano fino y brillante es característico de un material frágil. Por el contrario, un grano menos fino y mate
es mas dúctil que frágil.
• Resultados.
• Probeta (temple + revenido).
♦ Diámetro inicial: 10mm
♦ Longitud de calibración: 50mm
♦ Diámetro en la rotura: 9,8 mm
♦ Alargamiento en rotura: 5,2 mm
♦ Carga de rotura: 97,8 KN
♦ Tensión unitaria de rotura: 1245,22 N/mm2
♦ Tensión real de rotura: 1296,57 N/mm2
♦ Alargamiento de rotura en %: 10,4%
♦ Estricción de rotura en %: 3,94%
♦ Límite elástico (convencional): 97 KN
♦ Límite de proporcionalidad: aprox. 97 KN
♦ Límite de fluencia (superior): 8,8 KN (*)
♦ Límite de fluencia (inferior): −−−−−−−−
♦ Trabajo elástico de deformación: 263,17 J
(*) esta probeta no se comportó bien en el ensayo, ya que se rompió antes de lo previsto y sin apenas
deformación. Esto hace que los datos no sean del todo correctos.
• Probeta recocida.
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♦ Diámetro inicial: 10 mm
♦ Longitud de calibración: 50 mm
♦ Alargamiento en rotura: 14,7 mm
♦ Diámetro en la rotura: 7,3 mm
♦ Carga de rotura: 30,76 KN
♦ Tensión unitaria de rotura: 391,64 N/mm2
♦ Tensión real de rotura: 734,93 N/mm2
♦ Alargamiento de rotura en %: 29,4%
♦ Estricción de rotura en %: 46,7%
♦ Límite elástico (convencional): 42,48 KN
♦ Límite de proporcionalidad: aprox. 40 KN
♦ Límite de fluencia (superior): 33,12 KN
♦ Límite de fluencia (inferior): −−−−−−−−
♦ Trabajo elástico de deformación: 1028,541 J
ENSAYO DE COMPRESIÓN.
• Principio del método. Diferencias respecto al ensayo de tracción. Probetas utilizadas.
El ensayo de compresión estudia el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de
compresión, progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir al rotura
o aplastamiento, según la clase de material. Se efectúa sobre probetas cilíndricas, en los metales, y en
cúbicas en los materiales no metálicos. En este ensayo las utilizaremos cilíndricas. Han de cumplir que
la longitud inicial (lo) sea igual al diámetro inicial (do). En las mordazas se originan fuerzas de
rozamiento, por lo que la relación que se ha de cumplir en los ensayos muy minuciosos es que
lo=2,5−3do. También han de cumplir que "So/lo=0.9 o 1.
El ensayo de compresión es poco frecuente; por lo general, se someten a él los materiales que
prácticamente trabajan sólo a este esfuerzo, tales como fundiciones, metales para cojinetes, piedras,
hormigón, etc.
• Diferencias en la rotura a compresión de un material frágil (fundición) y de un material dúctil
(aluminio).
En un material dúctil, la probeta se aplasta entera, adquiriendo forma de tonel inicialmente, sin aparecer
grietas. Sin embargo, en el ensayo comprobamos que el aluminio presentaba un comportamiento mixto, y que
aparecían conos de deformación y grietas a 45º que no se desprendieron. En cambio el acero de bajo
contenido en carbono F114 si que se aplastó completamente, sin aparición de grietas.
La fundición si que presento un comportamiento frágil, con aparición de grietas a 45º. La probeta se rompe al
despenderse los conos (zonas de deformación impedida)
ENSAYO DE RESILIENCIA
• Objetivos y características fundamentales del ensayo.
Se empezó a hacer este ensayo porque se observó que materiales que aguantaban bien en el laboratorio, no lo
hacían luego en el uso real. Esto es porque en servicio, los materiales no están sometidos solo a un tipo de
carga, sino a varias simultáneas. Las cargas hacen que dentro del material aparezcan tensiones. El principal
objetivo del ensayo es evaluar la resistencia del material frente a impactos. También sirve para poner de
manifiesto la sensibilidad de los metales a las entallas. En el choque, en las proximidades de la entalla se
obtiene una concentración máxima de tensiones, que originan triaxialidad. La entalla en la probeta supone,
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pues, una mayor exigencia al material, siendo indispensable allí donde además de la tenacidad, se requiere una
elevada resistencia a la rotura frágil.
El ensayo de impacto consiste en dejar caer un pesado péndulo, el cual a su paso golpea una probeta que tiene
forma paralelepípeda ubicada en la base de la máquina. La probeta rompe de un solo golpe.
Luego de golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura que depende de la
cantidad de energía disipada al golpear.
• Principales parámetros que influyen en el ensayo.
El resultado que arroja, expresado en Julios, varia en gran medida de la temperatura y de la velocidad. A
menor temperatura y mayor velocidad, la rotura se produce antes.
También influyen características propias del material. A menor tamaña de grano, mayor resistencia al
cizallamiento.
• Tipos más importantes de probetas utilizadas en los ensayos.
Las probetas utilizadas son diferentes dependiendo del tipo de ensayo, y en cualquier caso están normalizadas.
En el Charpy la probeta es de sección cuadrada, de dimensiones 55x10x10 mm. Tiene una entalla en una de
sus caras de 2 mm de profundidad. El espesor de material para rotura es de 8 mm entonces.
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En el Izod, la probeta tiene tres entallas, una en cada cara. Las entallas están separadas entre si 28 mm, y 22
mm del borde de la probeta.
Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se
doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química,
esto obliga a realizar el ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una
"temperatura de transición dúctil−frágil".
Resultados: ensayo Izod.
• Proceso operativo del ensayo.
Las probetas se colocan empotradas por un extremo y el golpe lo recibe la cara entallada a una distancia de
ésta de 22 mm. La entalla tiene que quedar enrasada con el borde de la mordaza de sujeción. Con una probeta
se hacen tres ensayos sucesivos y se toma el promedio de ellos.
• Probeta usada en el ensayo. Dimensiones. Material.
En el Izod, la probeta tiene tres entallas, una en cada cara. Las entallas están separadas entre si 28 mm, y 22
mm del borde de la probeta. En el ensayo se utilizaron dos probetas: un acero F114 laminado en frio y un
F112 laminado en caliente.
• Trabajo absorbido en el choque. Valor de resiliencia. Análisis de fractura.
El acero F114 absorbió 6,5 , 6, 75 y 7 Kg/m2 El valor medio es 6,75 Kg/m2
Resiliencia: = T/So
10
Kg/m2 x 9,8= J.
= 826875 J/ m2
Presenta deformación previa y grano brillante. Rotura algo frágil: 70%frágil, 30% dúctil.
Resultados: ensayo Charpy.
• Proceso operativo del ensayo.
Utiliza un martillo de péndulo como el arriba descrito. Se coloca al probeta horizontalmente, de forma
que sea golpeada por el martillo en la cara opuesta a la entalla, precisamente en el momento en que el
martillo se encuentre en el punto mas bajo de su trayectoria (la que se toma como referencia para
medir la diferencia de alturas). Parte de la energia se ha empleado en romper la probeta, por lo tanto el
martillo se elevará hasta una altura menor. Por lo general el trabajo absorbido nos lo da directamente
el aparato.
• Probeta usada en el ensayo. Dimensiones. Material.
En el Charpy la probeta es de sección cuadrada, de dimensiones 55x10x10 mm. Tiene una entalla en una de
sus caras de 2 mm de profundidad. El espesor de material para rotura es de 8 mm entonces. En el ensayo se
utilizaron dos probetas: un acero F114 laminado en frio y un F112 laminado en caliente.
• Trabajo absorbido en el choque. Valor de resiliencia. Análisis de la fractura.
El acero F114 absorbió 7,5 Kg/m2
Resiliencia: = T/So
Kg/m2 x 9,8= J.
= 918750 J/ m2
La fractura es la de un material dotado de ductilidad.
El acero F112 absorbió 18 Kg/ m2
= 2205000J/ m2
La fractura es la de un material mas dúctil que el anterior.
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