CIENCIA DE LOS MATERIALES

Ciencia de los materiales. Guía 1 1
CIENCIA DE LOS
MATERIALES
Ciencia de los materiales. Guía 1
1
Tema: IDENTIFICACIÓN DE MATERIALES
Contenidos
Análisis cualitativos y semi cuantitativos de los materiales
Objetivos
Específico
Al finalizar la práctica, el estudiante será capaz de:
Identificar por lo menos 4 diferentes tipos de materiales con base
a la comparación visual de la chispa, a la respuesta a la atracción
magnética y a la medición indirecta de densidades en las muestras
de material proporcionados.
Comparar sus resultados con información de materiales que pueda
encontrar con ayuda de las TIC
Materiales y Equipo
Tabla 1 lista de materiales.
ITEM Cantidad
Designación
1
2
Barras cilíndricas de acero AISI 1020 de ∅1” X 1” L
2
2
Barras cilíndricas de acero AISI 1045 de ∅1” X 1” L
3
2
Barras cilíndricas de acero AISI 4340 de ∅1” X 1” L
4
2
Barras cilíndricas de acero AISI 01 de ∅1” X 1” L
5
2
Barras cilíndricas de acero AISI 304 de ∅1” X 1” L
6
2
Barras cilíndricas de aluminio AISI 6061 ∅1” X 1” L
6
2
Barras cilíndricas de bronce fosfórico ∅1” X 1” L
7
2
Muestras de vidrio
8
2
Muestras de polímero
9
2
Muestras de materiales cerámicos
10
2
Esmeril de banco
11
4
Tenaza de presión
12
6
Par de guantes de carnaza
13
2
Balanza electrónica de precisión
14
2
Probeta de cristal o plástico de 100 mL (graduada).
15
1
Lentes de seguridad (uno por participante)
16
2
Imán permanente
17
3
Calibrador Vernier (Pie de Rey )
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Marco Teórico
La identificación de los materiales puede hacerse de diferentes formas:
a)
Composición química.
b)
Sus estructuras: macrográfica, micrográfica, cristalina.
c)
Por las temperaturas a que se funden o solidifican.
d)
Por sus transformaciones alotrópicas, etc.
Pues
bien,
para
poder
conocer
características de los materiales
ejecución de ensayos y pruebas.
o
comprobar
las
propiedades
de ingeniería, es necesaria
y
la
A continuación una breve descripción de algunos ensayos comúnmente
utilizados para la identificación de materiales, si el lector está
interesado en otros ensayos o pruebas, se recomienda visitar el sitio
www.astm.org/
Ensayos de composición química
Tiene por objeto establecer la composición química de los
materiales, que consiste en conocer qué elementos y compuestos conforman
un material y en qué cantidades se encuentran, este procedimiento se
divide en dos partes:
a) Análisis químico cualitativo.
b) Análisis químico cuantitativo.
Mientras que el primero trata del reconocimiento de los compuestos o
elementos existentes en un material, el análisis cuantitativo se interesa
por determinar el porcentaje de esas sustancias.
En cualquier caso, la información necesaria se obtiene mediante una
propiedad física que esté relacionada de modo característico con el
elemento químico que se investiga (Carbón, Fósforo, Cromo, Níquel, etc.).
Si el lector está interesado en las propiedades físicas, mecánicos o en la
composición de un material en particular se le recomienda visitar el sitio
www.matweb.com/
Análisis cualitativos y semi cuantitativos
a) Prueba Magnética
La comprobación magnética de diferentes aceros ferro-magnéticos se puede
distinguir fácilmente de los que no los son por medio de un imán.
Aceros magnéticos son todos los aceros cuya estructura contiene perlita,
ferrita, bainita o martensita. Están comprendidos todos los aceros no
aleados, los de baja y media aleación, los aceros al Cromo- Silicio y al
Cromo, y los aceros con menos de 10% de Manganeso.
Aceros no magnéticos son los que tienen estructura austenítica como los
aceros al Cromo - Níquel, aceros con más de 10% de Manganeso y los
aceros con más de 20% de Níquel.
b) Prueba de la Densidad.
Si consideramos los diferentes materiales para la construcción de
objetos y de piezas mecánicas, es fácil deducir que no todos poseen el
mismo peso aún cuando todos tengan las mismas dimensiones geométricas.
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Definimos la densidad como la razón que existe entre la masa del material
y el volumen que la contiene, matemáticamente se expresa de la manera
siguiente:
ρ = m/V
Sus unidades en el Sistema Internacional son [Kg/m 3], aunque también
es común expresarla en g/cm3.
A cada material se le puede medir su densidad, a veces es difícil
establecer la diferencia de densidad entre dos materiales, como en el
caso de familias de materiales, un ejemplo es la familia de aceros al
carbono donde es necesario utilizar equipo muy sensible para establecer
la diferencia en densidad entre uno y otro.
c) Ensayo de chispa.
Para identificar de una forma rápida y aproximada el tipo de acero y el
porcentaje de carbono que se posee en el acero, existe el ensayo de chispa.
Con esto se puede reconocer la calidad del acero de una determinada pieza,
no obstante se requiere experiencia para la identificación y dar una
interpretación correcta a la chispa producida.
La chispa se produce al presionar una pieza de una aleación ferrosa contra
una muela de esmeril girando a gran velocidad arrancándole partículas de
material, las cuales son proyectadas tangencialmente por la periferia de la
muela. Al mismo tiempo que tiene lugar este desprendimiento de material, se
produce un fuerte calentamiento local, las partículas se desprenden a altas
temperaturas que las ponen incandescentes, produciéndose rayos luminosos,
chispas, explosiones, estrellas, arborescencias luminosas, etc.
Este ensayo no puede sustituir al análisis químico, pero alguien con un ojo
bien entrenado, reconoce bastante bien los materiales y la presencia de
ciertos elementos de aleación.
NOTA: Debe tenerse en cuenta que la carburación o descarburación de un acero
puede ser causante de clasificar mal un acero, si para hacer la prueba de la
chispa necesita una porción de una pieza, ¡NO SOBRECALIENTE LA MUESTRA AL
MOMENTO DE SEPARARLA DE UNA PIEZA!
Cada tipo de acero produce una serie de chispas características, mediante la
observación de éstas y la comparación con fotografías pueden identificarse
determinados tipos de aceros.
En cuando al tipo de chispas proyectadas, aquí se indican algunas
características importantes:
Características de la chispa
Un haz de chispa puede dividirse en tres partes principales las cuales son
mostradas en la figura 1.
La primera, a la salida de la piedra del esmeril, que se encuentra formada
por rayos rectilíneos en los que puede observarse perfectamente el color
característico.
La segunda zona es la de bifurcación, y algunas veces tiene lugar en ella
algunas explosiones.
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La tercera y última zona, es donde aparecen la mayor parte de las
explosiones, adopta diversas formas, que se denominan estrellas, gotas,
lenguas, flores, etc.
La observación debe de hacerse, en lo posible, en lugar oscuro. La rueda de
esmeril debe de girar en sentido contrario al ordinario, para que el haz de
chispas se proyecte hacia arriba y poder así observarlo mejor.
Figura 1 Características de las diferentes tipos de chispas y sus
etapas de desarrollo.
Influencia de los componentes
Carbono: Los aceros que contienen entre 0.15 y 0.13 % de carbono C
dan chispas formadas por rayos lisos de color amarillo oscuro, en cuya
punta aumenta ligeramente el volumen y la luminosidad. A medida que
aumenta el contenido de carbono, aumenta el número de explosiones en
formas de lanzas y flores, siendo más brillantes y luminosas.
Molibdeno: se identifica, en los aceros que lo contienen, por aparecer en
los extremos de los rayos amarillos una prolongación completamente
separada de color rojo anaranjado.
Wolframio: también se identifica con facilidad, porque da chispas de
color rojo oscuro, menos luminoso que el de todos los aceros, que sólo se
aprecia en locales oscuros. Si la cantidad de Wolframio es más de 18%,
las chispas son todas rojas, aunque a veces se producen ligeras
explosiones de color rojo.
A continuación presentamos unas fotografías de algunos aceros
ensayados por chispa. Para ver una lista más completa, el lector debe
visitar la referencia [5].
Chispas de diferentes tipos de aceros
(Acero templado y revenido (AISI-Standard 4140)
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Acero AISI 1045
Acero para herramienta AISI Standard W1
Acero aleado con Mn-Si AISI Standard S4
5
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6
Acero aleado para herramienta AISI Standard O2
Analice
cuidadosamente
cada
una
de
las
figuras
anteriormente
presentadas ya que de esto depende el aprovechamiento de la práctica a
Ciencia de los materiales. Guía 1
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realizar
Procedimiento
Parte I Medición de la densidad:
Como bien se explicó anteriormente, la densidad de un material se
puede calcular si se conoce de éste su masa (en kg ó Lb) y su volumen
ocupado (en m3, ft3, mL). Pues bien, la razón masa por unidad de volumen
dará un valor aproximado de la densidad del objeto en análisis.
Este es un método indirecto y su efectividad depende de precisión del
equipo y los instrumentos de medición utilizados para ello. También, dado
que los materiales no se encuentran en estado puro sino aleado, existirán
variaciones entre el valor medido y el encontrado en la carta del material.
1.- Proceda a medir (con la balanza) la masa de las piezas asignadas,
misma a las que posteriormente se les medirá su volumen, ya sea usando la
probeta graduada, por el líquido desalojado, o por aspectos geométricos, si
la probeta es cilíndrica. Luego se procede a determinar su densidad, deje
constancia de las medidas efectuadas en el informe de laboratorio
2.- Siga el procedimiento indicado para los diferentes tipos de
materiales que se le entregarán. Complete el cuadro comparativo entre los
valores calculados y los que sugieren los textos o cartas de materiales. En
las conclusiones, citar las referencias de donde se obtuvo la densidad, para
cada material ensayado.
Parte II
Utilizando muestras de aleaciones que se proporcionan y con base a las
figuras de ensayo de chispa presentadas anteriormente, realice para cada uno
el ensayo de la chispa y describa el tipo de chispa generada cuando la pieza
entra en contacto con la muela abrasiva. Repita el mismo procedimiento para
cada pieza.
No olvide utilizar el equipo de protección personal necesario para el
desarrollo de esta práctica, así como también, seguir todas las indicaciones
dadas por su instructor a cargo.
Haciendo un análisis comparativo, complete los datos solicitados en la tabla
2.
Tabla 2a. Análisis de resultados
No
1
2
3
4
5
6
7
Material
Densidad
Densidad
% de diferencia
medida(Kg/m3)
investigada(Kg/m3)
entre densidades
Ciencia de los materiales. Guía 1
8
8
9
10
Tabla 3b. Análisis de resultados
Magnético (si
No
Material
o no)
Descripción del tipo de
Identificación tentativa
chispa (según figuras)
(según figuras)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Análisis de resultados
•
•
•
•
Presente la tabla I con el nombre del material que corresponda según
lo observado durante la práctica.
Investigue sobre las normas AISI - SAE para identificación de metales
ferrosos y no ferrosos
Presente la designación equivalente en otras normas diferentes a la
AISI, para cada uno de los tipos de aceros presentados y cuyos ensayos
de chispa son ilustrados arriba.
En las páginas web investigue las densidades de los materiales
proporcionados e inclúyalas en la tabla 2a.
Tarea Complementaria
Investigue sobre la clasificación de los materiales que hace la matweb.
Ciencia de los materiales. Guía 1
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Fuentes de información
1) Avner,
S.
(1988)
Metalurgia
Física,
México
D.F.
McGraw-Hill.
2ª
edición
2) Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de
materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición
3) Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los
materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición.
4) Neely,
J.
E.,
Kibbe,
R.R.
Procesos de Manufactura.
y
García
Diaz,
R.
(1992)
Materiales
y
México D. F. Limusa.
5) www.steel.org/
6) www.sae.org/
7) www.astm.org/
8) www.matweb.com/
. Cuadro de rúbricas de la evaluación
Aspecto a evaluar:
Puntaje
obtenido/Puntaje
máximo
Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la
investigación, Nombre del tema, Nombres de los autores, fecha
de entrega. Todas las partes deberán ser legibles
Requisito
Objetivos y Procedimiento abreviado
Requisito
Examen previo (individual)
30
Mediciones efectuadas y Tablas de datos
Requisito
Cálculos efectuados correctamente
Requisito
Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web y otros (al
menos en 3 sitios confiables)
25
Discusión y conclusiones: Comparación de los resultados
experimentales con lo reportado en sitios web confiables (éstos
se considerarán los valores teóricos), indicar si se lograron los
objetivos o no y porqué.
40
Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo
Requisito
La ortografía debe ser impecable. La redacción debe ser clara y
concisa.
5
No lleva gabacha (individual)
-
10
Cálculos erróneos
-
10
Comentarios
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No lleva guía de laboratorio (individual)
-
10
No colabora o se comporta indebidamente (individual)
-
10
Forma de entrega: Por correo electrónico, identificado como
Lab1-(nombre del grupo), tipo de archivo: .doc o .docx, solo si
es muy extenso podrá enviarse en PDF, el envío será al correo
electrónico del docente, quien deberá responder de recibido. Si
la entrega es informe Impreso, se le dará personalmente al
docente, los estudiantes podrán llevar una hoja para que las
firme el docente, haciendo constar de que fue recibido.
TOTAL
-
10
10 % por
cada día
de
retraso.
100
El informe se entregará una semana después del laboratorio, ejemplo: si el
laboratorio se efectúa el lunes, a mas tardar el lunes siguiente se
entregará al responsable del laboratorio. Entrega tardía: 10 % menos cada
día. Si no cumple con los requisitos se devolverá el informe, con la
condición de regresarlo el día siguiente, descontándosele 10 % por no
cumplir con los requisitos y por cada día de retraso se descontará 10 %
adicional.
El alumno deberá respetar la normas de seguridad del laboratorio, si hay
violación a estas normas, el instructor podrá expulsar de la sesión al
infractor, conllevando a la perdida de la nota de esa sesión, sin
posibilidad de solicitarla diferida.