Análisis del material utilizado para el Identador de probetas de

TESIS DE MAESTRÍA
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA
CAMPUS POZA RICA - TUXPAN
“ANALISIS DEL MATERIAL UTILIZADO PARA
EL IDENTADOR DE PROBETAS DE ENSAYO DE
TENSION”
QUE PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA
EDUCATIVA:
EXPERIENCIA RECEPCIONAL
PRESENTAN:
JORGE ANTONIO MENDOZA AVILES
HUGO ADRIAN PEREZ ALVAREZ
DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL:
M. en C. ALEJANDRO MARQUINA CHAVEZ
Poza Rica, Ver.
Análisis de Falla en Tanques de Almacenamiento Atmosféricos
2011
TESINA
AGRADECIMIENTOS.
A mis padres:
Por el apoyo recibido durante mi carrera, la confianza brindada aun en momentos difíciles y en
especial por su cariño para el cual no existen palabras que expresen lo que ha significado en el
transcurso de mi vida. Por eso y más, mi más profundo agradecimiento.
JORGE ANTONIO MENDOZA AVILES.
TESINA
ÍNDICE GENERAL.
INTRODUCCION. ................................................................................................................ V
CAPITULO 1....................................................................................................................... VI
JUSTIFICACIÓN. ............................................................................................................. VI
NATURALEZA SENTIDO Y ALCANSE DEL TRABAJO. ................................................ VII
ENUNCIACION DEL TEMA .......................................................................................... VIII
EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO. ................................................... IX
CAPITULO 2......................................................................................................................... 1
DESARROLLO DEL TEMA. ................................................................................................. 1
PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVSTIGACION ................................................... 1
MARCO CONTEXTUAL .................................................................................................... 2
2. INTRODUCCION........................................................................................................ 3
2.1. ¿Qué son los ensayos mecanicos?. .............................................................................. 3
2.1.1.
Ensayos mecánicos de los materiales. .................................................................................. 3
2.1.2.
Ensayos no destructivos. ...................................................................................................... 4
2.1.2.1. Ensayo de dureza. .......................................................................................... 5
2.1.2.2. Ensayos de estructura molecular y acabado superficial. ...................................... 6
2.1.2.3. Ensayos por ultrasonidos ................................................................................ 7
2.1.3.
Ensayos destructivos. ........................................................................................................... 7
2.1.3.1. Ensayo de torsión ........................................................................................... 7
2.1.3.2. Ensayo de resiliencia ...................................................................................... 8
2.1.3.3. Ensayo de compresión. ................................................................................... 9
2.1.3.4. Ensayo de cizallamiento. ................................................................................. 9
2.1.3.5. Ensayo de flexión. .......................................................................................... 9
2.1.3.6. Ensayo de fatiga ........................................................................................... 10
2.1.3.7. Ensayo de tracción ....................................................................................... 11
2.2. Normatividad en los Ensayos de Tensión. .................................................................. 13
2.2.1.
Ensayo de tracción. ............................................................................................................ 13
2.2.2.
¿Qué es un ensayo de tensión? ........................................................................................... 15
2.2.3.
Comportamiento mecánico bajo cargas de tracción y compresión .................................... 17
2.2.4.
Fundamentos del ensayo. ................................................................................................... 20
2.2.5.
Análisis del ensayo de tracción. ......................................................................................... 22
2.2.6.
Diagrama esfuerzo-alargamiento ....................................................................................... 23
2.2.7.
Realización del experimento .............................................................................................. 25
2.3. Materiales de las Probetas y del Identador. ................................................................ 27
2.3.1.
Acero .................................................................................................................................. 28
2.3.1.1. Familias de los aceros inoxidables ................................................................. 28
2.3.2.
Aluminio............................................................................................................................. 30
2.3.2.1. Características del aluminio........................................................................... 30
2.3.2.2. Características físicas ................................................................................... 30
2.3.2.3. Características mecánicas .............................................................................. 31
2.3.2.4. Características químicas ................................................................................ 31
2.3.3.
Bronce ................................................................................................................................ 33
TESINA
2.3.3.1. Comparación entre bronces y aceros .............................................................. 33
2.3.3.2. Versatilidad ................................................................................................. 34
2.3.3.3. Propiedades físicas ....................................................................................... 34
2.3.3.4. Principales aleaciones ................................................................................... 34
2.3.4.
Cobre .................................................................................................................................. 35
2.3.4.1. Propiedades físicas ....................................................................................... 36
2.3.4.2. Propiedades mecánicas ................................................................................. 37
2.3.4.3. Características químicas ................................................................................ 37
2.4. Pruebas de Dureza para las Probetas y el Identador. .................................................... 39
2.4.1.
Introducción a las pruebas de dureza ................................................................................. 39
2.4.2.
Principios de dureza Brinell ............................................................................................... 41
2.4.3.
Ensayo de dureza Brinell .................................................................................................... 45
2.4.4.
Realización del experimento .............................................................................................. 49
2.5. Conclusión: Propuestas para el Material del Identador. ............................................... 51
2.5.1.
Caracteristicas del material del identador .......................................................................... 51
CAPITULO 3....................................................................................................................... 52
CONCLUCIONES. ........................................................................................................... 52
BIBLIOGRAFIA. .............................................................................................................. 54
ANEXOS. ........................................................................................................................ 55
APENDICE. ..................................................................................................................... 60
TESINA
INTRODUCCION.
Para la elaboración de las pruebas de tensión es necesario que las probetas cumplan con los
requisitos indicados por normas relacionadas para tales ensayos como la ASTM, DIN, ASME, entre
otras. Uno de los principales puntos que hay que cuidar es precisamente la longitud que va a servir
de referencia en la deformación de las probetas en el momento del ensayo, esta longitud será de 30
mm o una pulgada, todo dependerá del sistema de medición a utilizar. Cuando se compran las
probetas a los proveedores, éstas vienen ya marcadas directamente de fábrica debido a lo cual su
costo se vuelve caro por definirlo en aspectos económicos. Hacer una probeta en un taller de
máquinas-herramientas convencional es muchísimo más barato que comprarla, lo que se dificulta es
realizar las marcas de calibración a las medidas ya citadas para que cumpla todos los requisitos
solicitados por las normas, esto debido a su cuerpo cilíndrico de la probeta, por lo que “marcar”
dichos puntos de manera exacta se complica un poco.
Por lo anterior, se vio la necesidad de elaborar un equipo que permita dejar dichas “marcas”, es
decir, un y identador que nos permitiera con esto tener la certeza de las medidas que se requieren
para el ensayo lo cual nos permitirá también ahorrar sustantivamente entre una probeta que se
compre a un proveedor a una que se elabore en la Facultad.
TESINA
CAPITULO 1.
JUSTIFICACIÓN.
Las prácticas de ensayos de tensión realizadas en el Laboratorio de la Facultad de Ingeniería
Mecánica Eléctrica Región Poza Rica-Tuxpan fueron realizadas con probetas hechas bajo la norma
DIN 50125, que es una norma alemana. Estas probetas, resultan costosas, por lo que diversos
alumnos que realizan los ensayos de tensión se ven obligados a mandarlas a construir a los distintos
talleres de máquinas-herramientas que existen en la ciudad, estás son mucho más baratas que las
normalizadas.
El identador es necesario para poder marcar y tener un control de la medida de las probetas como lo
marca la norma, ya que cuando son enviadas para su fabricación a algún taller no son marcadas
correctamente como cuando se compran de fábrica y con esto al tener nuestro propio identador se
estaría reduciendo el costo, y podríamos fabricar y marcar nuestras propias probetas de práctica para
el taller. Los alumnos serían los más beneficiados en el diseño de este pues sabrían como es que se
marcan las probetas y la fuerza que se necesita para ello. Aunque tales probetas no son fabricadas
bajo las mismas condiciones que marca la norma. Por tal motivo este trabajo recepcional se encarga
de realizar la investigación y pruebas para la realización de un identador de probetas de tensión, el
cual servirá para ayudar al alumno a la hora de realizar sus prácticas para darse cuenta como se
produce la deformación de estas.
TESINA
NATURALEZA
TRABAJO.
SENTIDO
Y
ALCANSE
DEL
En la industria existen muchas fallas en los materiales con que se diseñan los equipos de trabajo y
aun más en sus piezas mecánicas, pues estos no son predecibles y suelen ocasionar gastos
innecesarios a los propietarios de dichos equipos. Estos accidentes podrían evitarse con algunas
pruebas realizadas a dichos materiales con probetas fabricadas con este mismo. Por lo cual este
trabajo recepcional está enfocado a realizar un análisis a los distintos materiales utilizados en el
Laboratorio de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Región Poza Rica-Tuxpan para tener
una mayor seguridad en cuanto a la resistencia de un material y cuál es su deformación con cierta
carga aplicada sobre él.
El análisis nos lleva a darnos cuenta que con estas simples pruebas hechas a los materiales podemos
estar familiarizados con los distintos equipos con que se realizan estas pruebas y se logra una
experiencia que en ningún otro lado se podrá alcanzar. Este trabajo recepcional será de gran ayuda
para las próximas generaciones de alumnos de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Región
Poza Rica-Tuxpan, pues con el podrán tener un ahorro en su economía reduciendo el costo por
medio de la elaboración de sus propias probetas.
TESINA
ENUNCIACION DEL TEMA.
Las pruebas de tensión y compresión que se realizan actualmente en los diferentes laboratorios
industriales son muy exactas y sirven de mucha ayuda para poder diseñar o fabricar mejores equipos
de trabajo y así mantener un control en la disminución de los accidentes en la industria.
Este trabajo lo que busca es dar a conocer la importancia y necesidad de tener un identador en el
taller de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Región Poza Rica-Tuxpan pues este sería de
mucha ayuda para los estudiantes de esta carrera, y les mostraría como es que una probeta para
dichas pruebas es marcada, con esto se adquirirá experiencia para cuando tengan que laborar en la
industria del diseño y fabricación de elementos mecánicos.
TESINA
EXPLICACION
TRABAJO.
DE
LA
ESTRUCTURA
DEL
En esta sección hablará de los diferentes ensayos que existen para los materiales que se tienen
contemplados para el diseño del identador y de las probetas que se tienen en el taller de la Facultad
de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Región Poza Rica-Tuxpan se mostrará su clasificación y proceso.
En este apartado se describirá como se realizaron las pruebas de tensión en los materiales para la
selección y elaboración del identador y las probetas.
Adicionalmente, se describirán los ensayos que fueron realizados correspondientes a la resistencia
del material y los esfuerzos a los que se someten las puntas del identador y las probetas usadas para
que estas no sufran algún daño al aplicarle la carga que requiera la probeta al ser marcada.
En este bloque se describen el procedimiento para la selección de los materiales de las probetas y el
identador, se explica el maquinado, ocupando por lo general solo maquinas-herramienta industriales
como son el torno, fresadora, etc.
Los materiales del identador y de las probetas se presenta en el trabajo recepcional donde se dará a
conocer sus propiedades y la forma en que se comportan en diferentes ambientes. Como ya se
menciono con anterioridad el identador será diseñado para marcar probetas que se utilizaran en el
Equipo de Ensayo Universal de 20 KN que se tiene en el laboratorio de la Facultad de Ingeniería
Mecánica Eléctrica.
En esta parte del trabajo se llevan a cabo las pruebas de dureza a los materiales usados para diseñar
las probetas y el identador para saber que fuerza es la necesaria y aplicarla sobre las probetas sin
dañarlas o llegar a fracturarlas antes de ser utilizadas para las pruebas que se requieran. También se
muestran las graficas y fotografías de los resultados de las pruebas de dureza en los distintos
materiales.
Aquí se propondrá cual es el material indicado para el diseño del identador mismo que deberá tener
mayor durabilidad para cumplir con eficiencia la función de marcar las probetas. Se realiza la
propuesta para el material del identador más indicado de acuerdo a los resultados obtenidos en el
análisis basado en las normas.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
CAPITULO 2.
DESARROLLO DEL TEMA.
PLANTEAMIENTO
INVESTIGACION.
DEL
TEMA
DE
LA
Dentro de las practicas de pruebas de dureza y ensayos de tensión que realizan los alumnos de la
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Región Poza Rica-Tuxpan en sus respectivas
experiencias educativas, las probetas que ellos mismos fabrican y utilizan, no cuentan
completamente con lo que especifica la norma (Deutsches Institut für Normung) DIN 50125, que es
una marca con la cual nos damos cuenta que tanto se deformo nuestra probeta a la hora de aplicarle
la carga correspondiente a esta. Debido a esto, es que se realiza este trabajo recepcional con la
finalidad de proponer las bases para la elaboración de un identador el cual servirá para proporcionar
dicha marca en las probetas de ensayos de tensión. Este identador también servirá para que los
alumnos conozcan como es que se marcan dichas probetas y tener una idea más clara del ensayo de
tensión, de cómo es que esta marca nos facilita el calcular la deformación de la probeta cuando se
somete a distintas cargas.
Análisis del material utilizado para el Identador de probetas de ensayo de tensión
1
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
MARCO CONTEXTUAL.
Este trabajo se llevo a cobo en el Laboratorio de Mecánica de la Facultad de Ingeniería Mecánica
Eléctrica de la Universidad Veracruzana en la región Poza Rica-Tuxpan utilizando el Equipo de
Ensayo Universal de 20 KN para las pruebas de dureza y de tensión, que fueron necesarias para la
elaboración de este trabajo recepcional.
Ubicación de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica Región Poza Rica-Tuxpan
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
2. INTRODUCCION.
2.1. ¿Qué son los ensayos mecanicos?.
2.1.1. Ensayos mecánicos de los materiales.
El empleo de metales en aplicaciones de ingeniería se basa en la capacidad del metal para satisfacer
los requerimientos de diseño y servicio y ser fabricados a las dimensiones adecuadas. La capacidad
de un metal para satisfacer estos requerimientos es determinada por las propiedades mecánicas y
físicas del metal. Propiedades físicas son las que normalmente se miden por métodos que no
requieren la aplicación de una fuerza mecánica externa (o carga). Ejemplos típicos de propiedades
físicas son densidad, propiedades magnéticas (por ejemplo, permeabilidad), conductividad térmica y
difusividad térmica, propiedades eléctricas (por ejemplo, resistividad), calor específico y coeficiente
de dilatación. Propiedades mecánicas, se describe como la actuación de la relación entre las fuerzas
(o tensiones) sobre un material y la resistencia del material a la deformación y la fractura. Esta
deformación, sin embargo, puede o no ser evidente en el metal después de que se retira la carga
aplicada. Diferentes tipos de pruebas, que utilizan una fuerza aplicada, se emplean para medir las
propiedades, como el módulo elástico, límite elástico, deformación elástica y plástica (elongación)
dureza, resistencia a la fatiga y tenacidad de fractura.
Cuando un técnico proyecta una estructura metálica, diseña una herramienta o una máquina, define
las calidades y prestaciones que tienen que tener los materiales constituyentes. Como hay muchos
tipos de aceros diferentes y, además, se pueden variar sus prestaciones con tratamientos térmicos, se
establecen una serie de ensayos mecánicos para verificar principalmente la dureza superficial, la
resistencia a los diferentes esfuerzos que pueda estar sometido, el grado de acabado del mecanizado
o la presencia de grietas internas en el material.
Hay dos tipos de ensayos, unos que son destructivos y otros no destructivos.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
2.1.2. Ensayos no destructivos.
Se denomina ensayo no destructivo (también llamado END, o en inglés NDT de nondestructive
testing) a cualquier tipo de prueba practicada a un material que no altere de forma permanente sus
propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Los ensayos no destructivos implican un
daño imperceptible o nulo. Los diferentes métodos de ensayos no destructivos se basan en la
aplicación de fenómenos físicos tales como ondas electromagnéticas, acústicas, elásticas, emisión de
partículas subatómicas, capilaridad, absorción y cualquier tipo de prueba que no implique un daño
considerable a la muestra examinada.
Se identifican comúnmente con las siglas: PND (prueba no destructiva); y se consideran sinónimos
a: Ensayos no destructivos (END), inspecciones no destructivas y exámenes no destructivos. En
general los ensayos no destructivos proveen datos menos exactos acerca del estado de la variable a
medir que los ensayos destructivos. Sin embargo, suelen ser más baratos para el propietario de la
pieza a examinar, ya que no implican la destrucción de la misma. En ocasiones los ensayos no
destructivos buscan únicamente verificar la homogeneidad y continuidad del material analizado, por
lo que se complementan con los datos provenientes de los ensayos destructivos.
La amplia aplicación de los métodos de ensayos no destructivos en materiales se encuentra resumida
en los tres grupos siguientes:

Defectología. Permite la detección de discontinuidades, evaluación de la corrosión y
deterioro por agentes ambientales; determinación de tensiones; detección de fugas.

Caracterización. Evaluación de las características químicas, estructurales, mecánicas y
tecnológicas de los materiales; propiedades físicas (elásticas, eléctricas y electromagnéticas);
transferencias de calor.

Metrología. Control de espesores; medidas de espesores por un solo lado, medidas de
espesores de recubrimiento; niveles de llenado.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
2.1.2.1. Ensayo de dureza.
En metalurgía, la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración.
Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas,
adecuadas para distintos rangos de dureza.
El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la
dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el
ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido.
Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de la dureza, ésta se medía
de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material más duro que se
empleaba en los talleres.
Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes:

Dureza Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de Tungsteno
para materiales más duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de
menos de 6mm de espesor. Estima resistencia a tracción.

Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de
acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para
todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño
de la huella.

Rockwell superficial: Es una variante del ensayo, Rockwell, se emplea para la
caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que
han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial.

Dureza Webster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de
difícil manejo como perfiles largos extruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores
Rockwell.

Dureza Vickers: Emplea un penetrador de diamante con forma de pirámide cuadrangular.
Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
Es una mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2mm
de espesor.

Dureza Shore: emplea un escleroscopio. Se deja caer un identador en la superficie del
material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote
mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de
penetración como los otros.
2.1.2.2. Ensayos de estructura molecular y acabado superficial.
La estructura molecular de los materiales se analiza mediante potentes microscopios. El grado de
acabado superficial se denomina rugosidad, y se verifica con un instrumento electrónico llamado
rugosímetro. La rugosidad superficial es el conjunto de irregularidades de la superficie real,
definidas convencionalmente en una sección donde los errores de forma y las ondulaciones han sido
eliminados.
Las normas de rugosidad son las siguientes: DIN 4762, DIN 4768, DIN 4771, DIN 4775, el alcance
de la rugosidad de superficies se encuentra en la norma DIN 4766-1. Los rugosímetros miden la
profundidad de la rugosidad media (Rz) y el valor de la rugosidad media (Ra) se expresa en micras.
Estos rugosímetros pueden ofrecer la lectura de la rugosidad directa en una pantalla o indicarla en
un documento gráfico.

Ra: el valor promedio de rugosidad en µm es el valor promedio aritmético de los valores
absolutos de las distancias del perfil de rugosidad de la línea intermedia de la longitud de
medición. El valor promedio de rugosidad es idéntico a la altura de un rectángulo donde su
longitud es igual a la longitud total y esto a su vez es idéntico con la superficie de la suma
que existe entre el perfil de rugosidad y la línea intermedia.

Rz: promedio de la profundidad de la rugosidad en µm (promedio aritmético de cinco
profundidades singulares consecutivas en la longitud de medición).
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
2.1.2.3. Ensayos por ultrasonidos.
Un material puede, a la vez, transmitir y reflejar ondas elásticas. Un transductor ultrasónico hecho
de cuarzo, titanato de bario o sulfato de litio aprovecha el efecto piezoeléctrico para introducir una
serie de pulsos elásticos a alta frecuencia en el material, por lo general por encima de los 100,000
Hz. Los pulsos crean una onda de deformación por compresión, que se propaga a través del material.
La onda elástica se transmite a través del material a una velocidad que depende del módulo de
elasticidad y de la densidad del mismo.
2.1.3. Ensayos destructivos.
Los ensayos destructivos son aquellos que se realizan a una probeta de cualquier material
causándole una deformación permanente, es decir esta ya no regresa a su estado original y ya no
puede ser utilizada para otra prueba similar. Los ensayos destructivos son los siguientes:
2.1.3.1. Ensayo de torsión.
Torsión es la solicitación que se presenta cuando se aplica un momento sobre el eje longitudinal de
un elemento constructivo o prisma mecánico, como pueden ser ejes o, en general, elementos donde
una dimensión predomina sobre las otras dos, aunque es posible encontrarla en situaciones diversas.
Véase la figura 1.
Fig. 1. Fuerzas de torsión.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
La torsión se caracteriza geométricamente porque cualquier curva paralela al eje de la pieza deja de
estar contenida en el plano formado inicialmente por las dos curvas. En lugar de eso, una curva
paralela al eje se retuerce alrededor de él.
El estudio general de la torsión es complicado y existen diversas aproximaciones más simples para
casos de interés práctico (torsión pura, torsión de Saint-Venant pura, torsión recta o teoría de
Coulomb).
2.1.3.2. Ensayo de resiliencia.
En ingeniería, la resiliencia es la cantidad de energía que puede absorber un material, antes de que
comience la deformación irreversible, esto es, la deformación plástica. Esto corresponde con el área
bajo la curva de un ensayo de tracción entre la deformación nula y la deformación correspondiente
al esfuerzo de fluencia. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se expresa en julios por metro
cúbico. Véase la figura 2.
Fig. 2. Péndulo de Charpy.
La resiliencia se determina mediante el ensayo del método Izod o el péndulo de Charpy, resultando
un valor indicativo de la fragilidad o la resistencia a los choques del material ensayado. Un elevado
grado de resiliencia es característico de los aceros con alto contenido de austenita.
En Física se utiliza el término para expresar la capacidad de un material de recobrar su forma
original después de haber sido sometido a altas presiones correspondiéndose, en este caso, con la
energía que es capaz de almacenar el material cuando se reduce su volumen.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
2.1.3.3. Ensayo de compresión.
El esfuerzo de compresión es una presión que tiende a causar una reducción de volumen. Cuando se
somete un material a una fuerza de flexión, cizalladora o torsión actúan simultáneamente fuerzas de
torsión y compresión.
Es la fuerza que actúa sobre un material de construcción, suponiendo que esté compuesto de planos
paralelos, lo que hace la fuerza es intentar aproximar estos planos, manteniendo su paralelismo.
Los ensayos practicados para medir el esfuerzo de compresión son contrarios a los aplicados al de
tensión, con respecto a la dirección y sentido de la fuerza aplicada. Este tiene varias limitaciones:

Dificultad de aplicar una carga concéntrica o axial.

Una probeta de sección circular es preferible a otras formas.
2.1.3.4. Ensayo de cizallamiento.
La fuerza de cortante o esfuerzo cortante es el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas
a la sección transversal de un prisma mecánico, como por ejemplo una viga o un pilar. Este tipo de
solicitación formado por tensiones paralelas está directamente asociado a la tensión cortante.
2.1.3.5. Ensayo de flexión.
Se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un elemento estructural alargado en una
dirección perpendicular a su eje longitudinal, véase figura 3. El término "alargado" se aplica cuando
una dimensión es preponderante frente a las otras. Un caso típico son las vigas, las que están diseñas
para trabajar, preponderantemente, por flexión. Igualmente, el concepto de flexión se extiende a
elementos estructurales superficiales como placas o láminas.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
Fig. 3. Viga flexionada por una carga
El rasgo más destacado es que un objeto sometido a flexión presenta una superficie de puntos
llamada fibra neutra tal que la distancia a lo largo de cualquier curva contenida en ella no varía con
respecto al valor antes de la deformación. Cualquier esfuerzo que provoca flexión se denomina
momento flector.
Las vigas o arcos son elementos estructurales pensados para trabajar predominantemente en flexión.
Geométricamente son prismas mecánicos cuya rigidez depende, entre otras cosas, del momento de
inercia de la sección transversal de las vigas. Existen dos hipótesis cinemáticas comunes para
representar la flexión de vigas y arcos.
2.1.3.6. Ensayo de fatiga.
En ingeniería y, en especial, en Ciencia de materiales, la fatiga de materiales se refiere a un
fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más
fácilmente que con cargas estáticas, véase la figura 4, donde se representa por una onda senoidal. En
este caso hay que imaginar que la tensión representada es una tensión con ciclos de tracción (cuando
es positiva) y de compresión (cuando es negativa). Un ejemplo de ello se tiene en un alambre:
flexionándolo repetidamente se rompe con facilidad. La fatiga es una forma de rotura que ocurre en
estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes (puentes, aviones, etc.). Puede ocurrir a
una tensión menor que la resistencia a tracción o el límite elástico para una carga estática.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
Es muy importante ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálicos
(aproximadamente el 90%) aunque también ocurre en polímeros y cerámicos.
Fig. 4. Ejemplo de onda senoidal.
2.1.3.7. Ensayo de tracción.
El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada realizada con
dicho material a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta.
En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los materiales elásticos:
Fig. 5. Diagrama esfuerzo deformación.
En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los materiales elásticos:
TESINA

Capítulo 2
Desarrollo del tema
Módulo de elasticidad o Módulo de Young: cuantifica la proporcionalidad entre el
esfuerzo y la deformación.

Coeficiente de Poisson: cuantifica la razón entre el alargamiento longitudinal y el
acortamiento de las longitudes transversales en dirección de la fuerza.

Límite de proporcionalidad: valor de la tensión por debajo de la cual el alargamiento es
proporcional a la carga aplicada.

Límite de fluencia o límite elástico aparente: valor de la tensión que soporta la probeta en
el momento de producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia. Este fenómeno tiene lugar
en la zona de transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se caracteriza por un
rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.

Límite elástico (límite elástico convencional o práctico): valor de la tensión ha la que se
produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.) en función del
extensómetro empleado.

Carga de rotura o resistencia a la tracción: carga máxima resistida por la probeta dividida
por la sección inicial de la probeta.

Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la probeta. Se mide entre
dos puntos cuya posición está normalizada y se expresa en un porcentaje.

Estricción: es la reducción de la sección que se produce en la zona de la rotura.
Se debe hacer notar que el Módulo de Young es característico de cada material, es decir por citar un
ejemplo, todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser
muy diferentes.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
2.2. Normatividad en los Ensayos de Tensión.
2.2.1. Ensayo de tracción.
Gracias a la estructura clara y sencilla del Aparato de Ensayo de Materiales WP 300, los alumnos
pueden seguir el proceso técnico del ensayo en todos sus detalles, y observar sus distintas fases.
Esto es prácticamente imposible en un aparato industrial. Por eso el WP 300 es apropiado también
para experimentos hechos por alumnos. Su fácil manejo y su sólida construcción mejoran todavía
más su aplicación en los experimentos. Las especificaciones técnicas de los materiales y sus leyes se
pueden verificar con mediciones realizadas.
Con solo el aparato básico se pueden realizar numerosos ensayos. El alumno se puede familiarizar
con los siguientes conceptos:
- Resistencia a la tracción
- Esfuerzo
- Alargamiento de rotura y contracción de rotura
- Deformación elástica y deformación plástica
- Diagrama de esfuerzo-alargamiento
- Dureza Brinell
Se pueden realizar ensayos cualitativos y cuantitativos, con distintos materiales, y comparar los
resultados.
Un completo número de accesorios permite:
- Ensayos de compresión
- Ensayos de flexión
- Ensayos de cizallamiento
- Ensayos de embutición profunda
- Registro de características elásticas.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
El objetivo del ensayo de tracción es determinar aspectos importantes de la resistencia y
alargamiento de materiales, que pueden servir para el control de calidad, las especificaciones de los
materiales y el cálculo de piezas sometidas a esfuerzos. Uno de los ensayos mecánicos tensióndeformación más común es el realizado a tracción. El ensayo de tracción puede ser utilizado para
determinar varias propiedades de los materiales. Normalmente se deforma una probeta hasta la
rotura, con una carga de tracción que aumenta gradualmente y que es aplicada úniaxialmente a lo
largo del eje de la probeta. Los ensayos de tracción se realizan en materiales metálicos (aluminio y
probeta de acero). Existen diferentes normas para realizar el ensayo de tracción, DIN 50125, DIN
53455, ISO/DP 527 y ASTM 638.
Para este tipo de ensayo, los términos ensayo de tensión y ensayo de compresión se usan
normalmente a la hora de hablar de ensayos en los cuales una probeta preparada es sometida a una
carga mono-axial gradualmente creciente (estática) hasta que ocurre la falla. En un ensayo de
tensión simple, la operación se realiza sujetando los extremos opuestos de la pieza de material y
separándolos. En un ensayo de compresión, se logra sometiendo una pieza de material a una carga
en los extremos que produce una acción aplastante. En un ensayo de tensión, la probeta se alarga en
una dirección paralela a la carga aplicada; en un ensayo de comprensión, la pieza se acorta. Los
ensayos estáticos de tensión y de compresión son los más realizados, además de ser los más simples
de todos los ensayos mecánicos. Estos ensayos implican la normalización de las probetas con
respecto a tamaño, forma y método de preparación y la de los procedimientos de ensayo.
El ensayo de tensión es el apropiado para uso general en el caso de la mayoría de los metales y
aleaciones no ferrosas, fundidos, laminados o forjados; para los materiales quebradizos (mortero,
concreto, ladrillo, cerámicos, etc.) cuya resistencia a la tensión es baja, en comparación con la
resistencia a la comprensión, el ensayo de compresión es más significativo y de mayor aplicación.
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Capítulo 2
Desarrollo del tema
2.2.2. ¿Qué es un ensayo de tensión?.
Se denomina prueba de tensión al ensayo que permite conocer las características de un material
cuando se somete a esfuerzos de tracción. El objetivo es determinar la resistencia a la rotura y las
principales propiedades mecánicas del material que es posible apreciar en el diagrama esfuerzodeformación (ver la figura 6). Las propiedades mecánicas que se determinan son:

Límite elástico

Punto de fluencia

Límite de fluencia

Resistencia a la fatiga

Punto de fractura
Los datos obtenidos en el ensayo deben ser suficientes para determinar esas propiedades, y otras que
se pueden determinar en base en ellas. Por ejemplo, la ductilidad se puede obtener a partir del
alargamiento y de la reducción de área.
Fig. 6.- Curva tensión-deformación
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Capítulo 2
Desarrollo del tema
En el ensayo se mide la deformación (alargamiento) de la probeta entre dos puntos fijos de la misma
a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa gráficamente en función de la tensión
(carga aplicada dividida por la sección de la probeta). En general, la curva tensión-deformación así
obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:
1. Deformaciones elásticas: En esta zona las deformaciones se reparten a lo largo de la
probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la probeta recuperaría su
forma inicial. El coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y la deformación se
denomina módulo de elasticidad o de Young y es característico del material. Así, todos los
aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy
diferentes. La tensión más elevada que se alcanza en esta región se denomina límite de
fluencia y es el que marca la aparición de este fenómeno. Pueden existir dos zonas de
deformación elástica, la primera recta y la segunda curva, siendo el límite de
proporcionalidad el valor de la tensión que marca la transición entre ambas. Generalmente,
este último valor carece de interés práctico y se define entonces un límite elástico
(convencional o práctico) como aquél para el que se produce un alargamiento prefijado de
antemano (0.2%, 0.1%, etc.). Se obtiene trazando una recta paralela al tramo proporcional
(recto) con una deformación inicial igual a la convencional.
2. Fluencia o cedencia: Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de la carga
aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación
bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo
mediante el cual el material se deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se
logra liberar las dislocaciones produciéndose la deformación bruscamente. La deformación
en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero
concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones. No todos los
materiales presentan este fenómeno, en cuyo caso la transición entre la deformación elástica
y plástica del material no se aprecia de forma clara.
3. Deformaciones plásticas: Si se retira la carga aplicada en dicha zona, la probeta recupera
sólo parcialmente su forma quedando deformada permanentemente. Las deformaciones en
esta región son más visibles que en la zona elástica.
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4. Estricción: Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central
de la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección de la probeta, momento a
partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta en
esa zona. La estricción es la responsable del descenso de la curva tensión-deformación;
realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el
cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la sección inicial y cuando se produce la
estricción la sección disminuye, efecto que no se tiene en cuenta en la representación gráfica.
Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas, debido
a que la probeta se rompe de forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de
rotura, carga última o resistencia a la tracción: la máxima resistida por la probeta dividida
por su sección inicial, el alargamiento en (%) y la estricción en la zona de la rotura.
2.2.3. Comportamiento mecánico bajo cargas de tracción y compresión.
El comportamiento mecánico de los materiales es descrito por su deformación y características de la
fractura aplicada bajo tensión, compresión, o esfuerzo multiaxial. La determinación de este
comportamiento mecánico está influenciada por varios factores que incluyen metalurgía/material
variable, métodos de ensayo, y la naturaleza de los esfuerzos aplicados.
Este subtema se enfoca en el comportamiento mecánico bajo condiciones de tensión uniaxial y
compresión. El principal énfasis es sobre el comportamiento mecánico durante la técnica del ensayo
de tensión, que es ampliamente utilizado para proporcionar la información básica de diseño sobre la
resistencia de materiales y como una prueba de recepción para la especificación de materiales. En
éste procedimiento de ensayo, un espécimen es sometido a un continuo incremento de carga uniaxial
(fuerza) mientras que se hacen observaciones simultaneas de la elongación del espécimen. En este
artículo, el énfasis esta puesto en la interpretación de esas observaciones más que en los
procedimientos para la realización del ensayo.
En el ensayo de un material convencional, la curva esfuerzo-deformación de un material (ver figura
7) está construida a partir de la carga-medición de elongación realizada sobre el ensayo del
espécimen. El esfuerzo del material (s) usado en esta curva de esfuerzo-deformación es el promedio
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Capítulo 2
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del esfuerzo longitudinal en la tensión del espécimen. Esto se obtiene dividiendo la carga (P) por el
área original de la sección transversal del espécimen ( A0 ): Equation Chapter (Next) Section 1
s
P
A0
(1.1)
Fig.7.- Curva esfuerzo-deformación de un material. La intersección de la línea discontinua con la
curva determina la fuerza de cedencia del rayado.
La deformación, e, utilizada para la curva esfuerzo-deformación de un material es la línea promedio
de deformación, que es obtenida dividiendo la elongación de la longitud del calibre del espécimen
(δ) entre la longitud original ( L0 ):
e

L0

L L  L0

L0
L0
(1.2)
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Tanto el esfuerzo como la deformación se obtienen dividiendo la carga y la elongación entre
factores contantes, la carga-elongación de la curva tendrían la misma forma como la curva esfuerzodeformación. Las dos curvas frecuentemente son usadas indistintamente.
Estas características de las pruebas de tensión se utilizan en los materiales para el control de la
calidad en la producción, para la clasificación de rendimiento de los materiales estructurales, para la
evaluación de las aleaciones recién desarrolladas y para hacer frente a los requisitos del esfuerzo
estático de diseño. Esto se muestra en el diagrama de la "espina de pescado" en la figura 8.
En la figura 8, se describe la metodología de la prueba de tensión y el efecto de algunas de las
variables en las propiedades de tracción determinadas. Se examinan la metodología y las variables
siguientes:
· Forma del tema que se está probando.
· Método de sujeción el elemento.
· Método de la aplicación de la fuerza.
· Determinación de las propiedades de la fuerza máxima requerida para la fractura del elemento de
prueba.
· Propiedades de ductilidad a determinarse.
· Prueba de temperatura.
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Fig.8.- "Espina de pescado" Diagrama de la fuentes de variabilidad en los resultados de la prueba
mecánica.
2.2.4. Fundamentos del ensayo.
El ensayo de tracción es el ensayo más conocido en Ensayo de materiales. En él se determina la
resistencia a la tracción, uno de los valores característicos más importantes de los materiales.
También se puede determinar el alargamiento de rotura, que es un índice de la tenacidad del material
En el ensayo de tracción se establece en la probeta un estado de esfuerzo mono-axial. Véase la
figura 9.
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Fig. 9. Estado de esfuerzo mono-axial.
Este estado se produce cargando la probeta en sentido longitudinal con una carga externa, mediante
una fuerza de tracción. En la sección de ensayo de la probeta, domina entonces, una distribución de
esfuerzos normal uniforme.
Para averiguar la resistencia del material se aumenta la carga de la probeta poco a poco de manera
continua, hasta que se rompe. La fuerza de ensayo máxima así obtenida es un indicador de la
resistencia del material. La llamada resistencia a la tracción RM , se calcula con la fuerza de ensayo
máxima FB y la sección inicial A0 de la probeta.
RM 
FB
A0
(1.3)
La fuerza de ensayo máxima es muy fácil de obtener, con la aguja de arrastre del indicador de
fuerza.
En el propio ensayo se reduce la sección de la probeta, se contrae, y los esfuerzos reales son
claramente mayores. El alargamiento de rotura A da la variación de longitud de la probeta con
respecto a su longitud inicial L0 , y se calcula con la longitud de la probeta después de la rotura Lu .
A
Lu L0
.100%
L0
(1.4)
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Fig. 10. Deformación de la probeta.
Para medir las longitudes, la probeta lleva dos marcas. Después de la rotura se unen cuidadosamente
las dos partes de la probeta por el punto de rotura, y se mide la separación de las marcas.
2.2.5. Análisis del ensayo de tracción.
Se realiza el experimento con cuatro probetas diferentes, de aluminio, cobre, latón y acero.
La sección inicial, con 6 mm de diámetro de todas las probetas, es
d 2 d 2 .
A0 

 28.27mm2
4
4
La longitud inicial de todas las probetas es
(1.5)
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Los metales a los que se les aplicaran las pruebas y ensayos son los siguientes
Material
Al Mg Si 0.5 F22
E- Cu
Cu Zn 39 Pb 3
9 S Mn 28
Para calcular la resistencia a la tracción y el alargamiento de rotura de estos materiales, véase la
fórmula. (2.1)
2.2.6. Diagrama esfuerzo-alargamiento.
El diagrama esfuerzo-alargamiento muestra con especial claridad las diferentes reacciones de cada
tipo de material. Todos los materiales tienen una curva característica del alargamiento y el esfuerzo.
En este se pueden leer importantes datos de los materiales. Además de la resistencia a la tracción Rm
interesa especialmente el límite de proporcionalidad Rp. Por debajo de este límite el material
obedece a la ley de Hook con el módulo de elasticidad E: El alargamiento Є es proporcional al
esfuerzo σ
 E.
(1.6)
Cuando este esfuerzo se sobrepasa, la deformación ya no es proporcional a la carga.
Un valor característico de especial importancia técnica es el límite de elasticidad Re. A partir de él,
el material tiene una deformación plástica permanente. Al quitar la carga queda una deformación. La
pieza no se puede cargar demasiado, para no poner en peligro su funcionamiento. En algunos
materiales, por ejemplo el acero blando recocido, se establece una pronunciada fluencia a partir del
límite de elasticidad. La probeta se alarga, aunque no aumente la carga. En los materiales sin
fluencia pronunciada se indica el límite elástico convencional Rp0.2. En estos casos el material tiene
un alargamiento permanente de 0.2% después de descargarlo.
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En la figura 11 se ven, por ejemplo las curvas de acero templado (1), acero bonificado (2), acero
blando (3) y una aleación de aluminio (4). El acero templado (1) se rompe, prácticamente, sin
deformación plástica, pero tiene una resistencia a la tracción muy alta. El acero bonificado (2) es
mucho más tenaz, pero mantiene una alta resistencia. El acero blando recocido (3) tiene un
alargamiento muy grande, pero una resistencia a la tracción baja. Aquí se da, en el paso a la reacción
plástica, una pronunciada fluencia. En la aleación de aluminio (4), debido a su menor módulo de
elasticidad, la curva de esfuerzo-alargamiento tiene menos pendiente en la zona elástica que los
materiales de acero. El diagrama esfuerzo-alargamiento se hace con los valores de fuerza y
alargamiento registrados durante el ensayo de tracción.

L  L0
F
,  u
A0
L0
(1.7)
Fig. 11.- diagrama esfuerzo-deformación de distintos materiales.
Conocidas las dimensiones de las probetas, se puede sustituir trazando directamente, el diagrama
fuerza-alargamiento, como lo mostrado en la figura 12. Las características no varían, pero se evita el
tiempo que lleva convertir los valores medidos en esfuerzo y alargamiento.
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Fig. 12. Diagrama fuerza-alargamiento.
2.2.7. Realización del experimento.
- Cargar la probeta lentamente y de forma continua, girando el volante.
- La fuerza se debe aplicar por un espacio de 5 - 10 min
- Evitar siempre aplicar la carga a golpes o de forma discontinua
- Observar el dial. Cada 0.1 mm leer la fuerza en el indicador, y anotarla con su correspondiente
alargamiento. Después de un alargamiento de 1 mm se puede ampliar el intervalo de lectura a 0.2
mm.
- Observar la probeta, y esperar al inicio del estrechamiento. La fuerza entonces no debe aumentar,
sino mejor reducirse.
- ¡Atención! No asustarse. La rotura de la probeta, sobre todo en acero, se produce con una fuerte
detonación.
- Leer la fuerza de ensayo máxima en la aguja de arrastre, y anotarla.
- Quitar la probeta de los cabezales.
- Girar hacia atrás completamente el volante del cilindro transmisor, y bajar el bastidor de carga.
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Trazar el diagrama esfuerzo-alargamiento.
Se realizan ensayos con cuatro probetas diferentes, de aluminio, cobre, latón y acero.
Los valores medidos se anotan en las siguientes tablas. Vaya al anexo.
Así se obtienen los siguientes diagramas fuerza-alargamiento del aluminio AlMgSi0.5 F22, cobre ECu, latón CuZn39Pb3 y acero 9SMn28. Los módulos E no se pueden determinar por la pendiente de
las curvas en la zona de proporcionalidad, debido a la elasticidad de la máquina, que domina en esta
zona de alargamiento. Para ello sería necesario medir el alargamiento directamente en la probeta con
un elongámetro de precisión. En la probeta de acero para tornos automáticos, 9SMn28 no se aprecia
un comportamiento de fluencia pronunciado, debido a su fragilidad relativamente grande (buena
fragilidad de viruta). Vaya al anexo.
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2.3. Materiales de las Probetas y del Identador.
Fig. 13.- Probetas de diferentes maderas para pruebas de dureza (de izquierda a derecha pino, cedro
caoba, chijol y palo de rosa).
Fig. 14.- Probetas de madera, metales y cristal para pruebas de dureza. (Arriba de izquierda a
derecha pino, cedro caoba, chijol y palo de rosa. En medio: aluminio, acero, cobre y bronce. Abajo
probetas de vidrio 9 y 6 mm, respectivamente).
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2.3.1. Acero.
Fig. 15.- Probeta de acero.
En metalurgia, el acero inoxidable se define como una aleación de hierro con un mínimo de 10% de
cromo contenido en masa. El acero inoxidable es resistente a la corrosión, dado que el cromo, u
otros metales que contiene, posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una
capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro. Sin embargo, esta capa puede ser afectada por
algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o
picaduras generalizadas. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos
aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno.
2.3.1.1. Familias de los aceros inoxidables.
Las siguientes aleaciones de acero inoxidable que se comercializan:

Acero inoxidable extra suave: Contiene un 13% de Cr y un 0.15% de C. Se utiliza en la
fabricación de elementos de máquinas, álabes de turbinas, válvulas, etc. Tiene una
resistencia mecánica de 80 kg/mm² y una dureza de 175-205 HB.

Acero inoxidable 16Cr-2Ni: Tiene de 0.20% de C, 16% de Cr y 2% de Ni; una resistencia
mecánica de 95 kg/mm² y una dureza de 275-300 HB. Se suelda con dificultad, y se utiliza
para la construcción de álabes de turbinas, ejes de bombas, utensilios de cocina, cuchillería,
etc.
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
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Acero inoxidable al cromo níquel 18-8: Tiene un 0.18% de C, un 18% de Cr y un 8% de Ni
Tiene una resistencia mecánica de 60 kg/mm² y una dureza de 175-200 HB, Es un acero
inoxidable muy utilizado porque resiste bien el calor hasta 400 °C.

Acero inoxidable al Cr- Mn: Tiene un 0.14% de C, un 11% de Cr y un 18% de Mn. Alcanza
una resistencia mecánica de 65 kg/mm² y una dureza de 175-200HB. Es soldable y resiste
bien altas temperaturas. Es magnético. Se utiliza en colectores de escape.
La forma original del acero inoxidable todavía es muy utilizada, los ingenieros tienen ahora muchas
opciones en cuanto a los diferentes tipos. Están clasificados en diferentes “familias” metalúrgicas.
Cada tipo de acero inoxidable tiene sus características mecánicas y físicas y será fabricado de
acuerdo con la normativa nacional o internacional establecida.
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2.3.2. Aluminio.
Fig. 16.- Probeta de aluminio.
2.3.2.1. Características del aluminio.
En las características del aluminio tenemos que considerar las siguientes:
2.3.2.2. Características físicas.
Entre las características físicas del aluminio, destacan las siguientes:

Es un metal ligero, cuya densidad es de 2.700 kg/m3 (2.7 veces la densidad del agua), un
tercio de la del acero.

Tiene un punto de fusión bajo: 660 °C (933 K).

El peso atómico del aluminio es de 26,9815 u.

Es de color blanco brillante, con buenas propiedades ópticas y un alto poder de reflexión de
radiaciones luminosas y térmicas.

Tiene una elevada conductividad eléctrica comprendida entre 34 y 38 m/(Ω mm2) y una
elevada conductividad térmica (80 a 230 W/(m·K)).

Resistente a la corrosión, a los productos químicos, a la intemperie y al agua de mar, gracias
a la capa de Al2O3 formada.
TESINA

Capítulo 2
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Abundante en la naturaleza. Es el tercer elemento más común en la corteza terrestre, tras el
oxígeno y el silicio.

Su producción metalúrgica a partir de minerales es muy costosa y requiere gran cantidad de
energía eléctrica.

Fácil de reciclar.
2.3.2.3. Características mecánicas.
Entre las características mecánicas del aluminio se tienen las siguientes:

De fácil mecanizado debido a su baja dureza.

Muy maleable, permite la producción de láminas muy delgadas.

Bastante dúctil, permite la fabricación de cables eléctricos.

Material blando (Escala de Mohs: 2-3-4). Límite de resistencia en tracción: 160-200 N/mm2
[160-200 MPa.] en estado puro, en estado aleado el rango es de 1.400-6.000 N/mm2. El
duraluminio fue la primera aleación de aluminio endurecida que se conoció, lo que permitió
su uso en aplicaciones estructurales.

Para su uso como material estructural se necesita alearlo con otros metales para mejorar las
propiedades mecánicas, así como aplicarle tratamientos térmicos.

Permite la fabricación de piezas por fundición, forja y extrusión.

Material soldable.

Con CO2 absorbe el doble del impacto.
2.3.2.4. Características químicas.

Debido a su elevado estado de oxidación se forma rápidamente al aire una fina capa
superficial de óxido de aluminio (Alúmina Al2O3) impermeable y adherente que detiene el
proceso de oxidación, lo que le proporciona resistencia a la corrosión y durabilidad. Ciertas
aleaciones de alta dureza presentan problemas graves de corrosión intercristalina.
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
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El aluminio tiene características anfóteras. Esto significa que se disuelve tanto en ácidos
(formando sales de aluminio) como en bases fuertes (formando aluminatos con el anión [Al
(OH)4]-) liberando hidrógeno.

La capa de óxido formada sobre el aluminio se puede disolver en ácido cítrico formando
citrato de aluminio.

El principal y casi único estado de oxidación del aluminio es +III como es de esperarse por
sus tres electrones en la capa de valencia.
El aluminio reacciona con facilidad con HCl, NaOH, ácido perclórico, pero en general resiste la
corrosión debido al óxido. Sin embargo cuando hay iones Cu2+ y Cl- su pasivación desaparece y es
muy reactivo.
Los alquilaluminios, usados en la polimerización del etileno, son tan reactivos que destruyen el
tejido humano y producen reacciones exotérmicas violentas al contacto del aire y del agua. El óxido
de aluminio es tan estable que se utiliza para obtener otros metales a partir de sus óxidos (cromo,
manganeso, etc.) por el proceso aluminotérmico.
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2.3.3. Bronce.
Fig.17.- Probeta de bronce.
Bronce es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el
segundo aparece en una proporción de entre el 3 y el 20%.
El bronce fue la primera aleación de importancia obtenida por el hombre y da su nombre al período
prehistórico conocido como Edad de bronce. Durante milenios fue la aleación básica para la
fabricación de armas y utensilios, y orfebres de todas las épocas lo han utilizado en joyería, medallas
y escultura. Las monedas acuñadas con aleaciones de bronce tuvieron un protagonismo relevante en
el comercio y la economía mundial.
2.3.3.1. Comparación entre bronces y aceros.
Aunque desarrollan corrosión no se oxidan bajo la superficie, son más frágiles y tienen menor punto
de fusión. Son aproximadamente un 10% más pesadas que el acero, a excepción de las compuestas
por aluminio o sílice. También son menos rígidas, por lo tanto en aplicaciones elásticas como
resortes acumulan menos energía que las piezas similares de acero. Resisten la corrosión, incluso la
de origen marino, el umbral de fatiga metálica es menor, y son mejores conductores del calor y la
electricidad.
Otra característica diferencial de las aleaciones de bronce respecto al acero, es la ausencia de chispas
cuando se le golpea contra superficies duras. Esta propiedad ha sido aprovechada para fabricar
martillos, mazas, llaves ajustables y otras herramientas para uso en atmósferas explosivas o en
presencia de gases inflamables.
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2.3.3.2. Versatilidad.
El cobre y sus aleaciones tienen una amplia variedad de usos como resultado de la versatilidad de
sus propiedades mecánicas, físicas y químicas. Téngase en cuenta, por ejemplo, la conductividad
eléctrica del cobre puro, la excelente maleabilidad de los cartuchos de munición fabricados en latón,
la baja fricción de aleaciones cobre-plomo, las sonoridad del bronce para campanas y la resistencia a
la corrosión de la mayoría de sus aleaciones.
2.3.3.3. Propiedades físicas.
Datos para una aleación promedio 89 % cobre y 11 % estaño:

Densidad: 8,90 g / cm³.

Punto de fusión: 830 a 1020 °C.

Coeficiente de temperatura: 0,0006 K-1.

Resistividad eléctrica: 14 a 16 µOhm/cm.

Coeficiente de expansión térmica, entre 20 y 100 °C ---> 17,00 x 10-6 K-1.

Conductividad térmica a 23 °C: 42 a 50 Wm-1.
2.3.3.4. Principales aleaciones.
La aleación básica de bronce contiene aproximadamente un 88% de cobre y 12% de estaño. El
bronce "alfa" es la mezcla sólida de estaño en cobre. La aleación alfa de bronce con 4 a 5 % de
estaño se utiliza para acuñar monedas y para fabricar resortes, turbinas, y herramientas de corte.
En muchos países se denomina "bronce comercial" al latón, que contiene un 90% de cobre y 10%
de zinc, pero no estaño. Es más duro que el cobre, y tiene una ductilidad similar. Se le utiliza en
tornillos y alambres.
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2.3.4. Cobre.
Fig. 18.- Probeta de cobre.
El cobre (del latín cŭprum, y éste del griego kýpros), cuyo símbolo es Cu, es el elemento químico de
número atómico 29. Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto
con la plata y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre, se caracteriza por ser uno de los
mejores conductores de electricidad (el segundo después de la plata). Gracias a su alta conductividad
eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha convertido en el material más utilizado para fabricar
cables eléctricos y otros componentes eléctricos y electrónicos.
El cobre forma parte de una cantidad muy elevada de aleaciones que generalmente presentan
mejores propiedades mecánicas, aunque tienen una conductividad eléctrica menor. Las más
importantes son conocidas con el nombre de bronces y latones. Por otra parte, el cobre es un metal
duradero porque se puede reciclar un número casi ilimitado de veces sin que pierda sus propiedades
mecánicas.
Fue uno de los primeros metales en ser utilizado por el ser humano en la prehistoria. El cobre y su
aleación con el estaño, el bronce, adquirieron tanta importancia que los historiadores han llamado
Edad del Cobre y Edad del Bronce a dos períodos de la Antigüedad. Aunque su uso perdió
importancia relativa con el desarrollo de la siderurgía, el cobre y sus aleaciones siguieron siendo
empleados para hacer objetos tan diversos como monedas, campanas y cañones. A partir del siglo
XIX, concretamente de la invención del generador eléctrico en 1831 por Faraday, el cobre se
convirtió de nuevo en un metal estratégico, al ser la materia prima principal de cables e instalaciones
eléctricas.
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Capítulo 2
Desarrollo del tema
El cobre posee un importante papel biológico en el proceso de fotosíntesis de las plantas, aunque no
forma parte de la composición de la clorofila. El cobre contribuye a la formación de glóbulos rojos y
al mantenimiento de los vasos sanguíneos, nervios, sistema inmunitario y huesos y por tanto es un
bioelemento esencial para la vida humana. El cobre se encuentra en una gran cantidad de alimentos
habituales de la dieta tales como ostras, mariscos, legumbres, vísceras y nueces entre otros, además
del agua potable y por lo tanto es muy raro que se produzca una deficiencia de cobre en el
organismo. El desequilibrio de cobre ocasiona en el organismo una enfermedad hepática conocida
como enfermedad de Wilson. El cobre es el tercer metal más utilizado en el mundo, por detrás del
hierro y el aluminio. La producción mundial de cobre refinado se estimó en 15,8 millones de
toneladas en el 2006, con un déficit de 10,7% frente a la demanda mundial proyectada de
17,7 millones de toneladas.
2.3.4.1. Propiedades físicas.
El cobre posee varias propiedades físicas que propician su uso industrial en múltiples aplicaciones,
siendo el tercer metal, después del hierro y del aluminio, más consumido en el mundo. Es de color
rojizo y de brillo metálico y, después de la plata, es el elemento con mayor conductividad eléctrica y
térmica. Es un material abundante en la naturaleza; tiene un precio accesible y se recicla de forma
indefinida; forma aleaciones para mejorar las prestaciones mecánicas y es resistente a la corrosión y
oxidación.
La conductividad eléctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisión Electrotécnica Internacional
en 1913 como la referencia estándar para esta magnitud, estableciendo el International Annealed
Copper Standard (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Según esta definición, la
conductividad del cobre recocido medida a 20 °C es igual a 58,1086 S/m. A este valor de
conductividad se le asigna un índice 100% IACS y la conductividad del resto de los materiales se
expresa en porcentaje de IACS. La mayoría de los metales tienen valores de conductividad
inferiores a 100% IACS pero existen excepciones como la plata o los cobres especiales de muy alta
conductividad designados C-103 y C-110.
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Capítulo 2
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2.3.4.2. Propiedades mecánicas.
Tanto el cobre como sus aleaciones tienen una buena maquinabilidad, es decir, son fáciles de
mecanizar. El cobre posee muy buena ductilidad y maleabilidad lo que permite producir láminas e
hilos muy delgados y finos. Es un metal blando, con un índice de dureza 3 en la escala de Mohs (50
en la escala de Vickers) y su resistencia a la tracción es de 210 MPa, con un límite elástico de
33,3 MPa. Admite procesos de fabricación de deformación como laminación o forja, y procesos de
soldadura y sus aleaciones adquieren propiedades diferentes con tratamientos térmicos como temple
y recocido. En general, sus propiedades mejoran con bajas temperaturas lo que permite utilizarlo en
aplicaciones criogénicas.
2.3.4.3. Características químicas.
En la mayoría de sus compuestos, el cobre presenta estados de oxidación bajos, siendo el más
común el +2, aunque también hay algunos con estado de oxidación +1. Expuesto al aire, el color
rojo salmón inicial se torna rojo violeta por la formación de óxido cuproso (Cu2O) para ennegrecerse
posteriormente por la formación de óxido cúprico (CuO). La coloración azul del Cu+2 se debe a la
formación del ión [Cu (OH2)6]+2.
Expuesto largo tiempo al aire húmedo, forma una capa adherente e impermeable de carbonato
básico (carbonato cúprico) de color verde y venenoso. También pueden formarse pátinas de
cardenillo, una mezcla venenosa de acetatos de cobre de color verdoso o azulado que se forma
cuando los óxidos de cobre reaccionan con ácido acético, que es el responsable del sabor del vinagre
y se produce en procesos de fermentación acética. Al emplear utensilios de cobre para la cocción de
alimentos, deben tomarse precauciones para evitar intoxicaciones por cardenillo que, a pesar de su
mal sabor, puede ser enmascarado con salsas y condimentos y ser ingerido. Los halógenos atacan
con facilidad al cobre, especialmente en presencia de humedad. En seco, el cloro y el bromo no
producen efecto y el flúor sólo le ataca a temperaturas superiores a 500 °C.
Los ácidos oxácidos atacan al cobre, por lo cual se utilizan estos ácidos como decapantes (ácido
sulfúrico) y abrillantadores (ácido nítrico). El ácido sulfúrico reacciona con el cobre formando un
sulfuro, CuS (covelina) o Cu2S (calcocita) de color negro y agua. También pueden formarse sales de
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
sulfato cúprico (antlerita) con colores de verde a azul verdoso. Estas sales son muy comunes en los
ánodos de los acumuladores de plomo que se emplean en los automóviles. El ácido cítrico disuelve
el óxido de cobre, por lo que se aplica para limpiar superficies de cobre, lustrando el metal y
formando citrato de cobre. Si después de limpiar el cobre con ácido cítrico, se vuelve a utilizar el
mismo paño para limpiar superficies de plomo, el plomo se bañará de una capa externa de citrato de
cobre y citrato de plomo con un color rojizo y negro.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
2.4. Pruebas de Dureza para las Probetas y el Identador.
El ensayo de dureza es, juntamente con el de tracción, uno de los más empleados en la selección y
control de calidad de los metales. Intrínsecamente la dureza es una condición de la superficie del
material y no representa ninguna propiedad fundamental de la materia. Se evalúa
convencionalmente por tres procedimientos. El más usado en metales es la resistencia a la
penetración de una herramienta de determinada geometría.
El ensayo de dureza es simple, de alto rendimiento ya que no destruye la muestra y particularmente
útil para evaluar propiedades de los diferentes componentes microestructurales del material. Los
métodos existentes para la medición de la dureza se distinguen básicamente por la forma de la
herramienta empleada (penetrador), por las condiciones de aplicación de la carga y por la propia
forma de calcular (definir) la dureza. La elección del método para determinar la dureza depende de
factores tales como tipo, dimensiones de la muestra y espesor de la misma.
2.4.1. Introducción a las pruebas de dureza.
La dureza del material se mide mediante una variedad de escalas que directa o indirectamente
indican la presión de contacto involucrada en la deformación de la superficie de ensayo. Puesto que
el penetrador es presionado en el material durante las pruebas, la dureza se considera también como
la capacidad de un material para resistir a la compresión de cargas. El penetrador puede ser esférico
(prueba de Brinell), piramidales (pruebas de Vickers y Knoop) o cónico (prueba de Rockwell). En
las pruebas de Knoop, Brinell y Vickers, el valor de dureza es la carga apoyada por unidad de
superficie de la sangría, expresada en kilogramos por milímetro cuadrado (kgf/mm2). En las pruebas
de Rockwell, la profundidad de la sangría en una carga prescrita es determinada y se convierte en un
número de dureza (sin unidades de medida), que es inversamente proporcional a la profundidad. Las
pruebas de dureza ya no están limitadas a metales, y las herramientas actualmente disponibles y los
procedimientos cubren una amplia gama de materiales incluyendo polímeros, elastómeros, películas
delgadas, semiconductores y cerámica. Las mediciones de dureza, tal como se aplica a las clases
específicas de materiales transmiten diferentes aspectos fundamentales del material. Por lo tanto,
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
para metales, la dureza es directamente proporcional a la elasticidad uniaxial en la probeta impuesta
por la sangría. Esta declaración, sin embargo, no se aplica en el caso de polímeros, ya que su
elasticidad está mal definida.
La consecuencia de la dureza del material también depende de su aplicación en la industria. Por
ejemplo, un ingeniero de la mecánica de fractura considera un material duro como frágil y menos
confiable bajo cargas de impacto y un ingeniero de fabricación prefiere menos materiales duros para
su fácil y más rápido mecanizado y aumento de la producción. Estas consideraciones se llevan,
durante el diseño del componente, a la selección de diferentes tipos de materiales y procesos de
fabricación para obtener las propiedades materiales necesarias del producto final, que son, en
muchos casos, estimadas por la dureza del material. Dureza, aunque aparentemente simple en
concepto, es una propiedad que representa un efecto de los campos complejos de esfuerzo,
elasticidad y plasticidad en el material que se está probando. Los eventos microscópicos como
movimientos de dislocación y transformaciones de fase que pueden ocurrir en un material no pueden
esperar a repetirse exactamente para cada prueba, incluso bajo idénticas condiciones de ensayo. Sin
embargo la experiencia ha demostrado que las hendiduras producidas en las mismas condiciones de
prueba son macroscópicamente casi idénticas, y las mediciones de sus dimensiones dan números de
dureza bastante repetible para un material dado. Esta observación realizada por James A. Brinell en
el caso de un esférico lo condujo a la introducción de la prueba de dureza Brinell. Esto fue seguido
por otros exámenes (ya mencionados) con ventajas únicas sobre la dureza Brinell. Las pruebas de
dureza son quizás el más simple y el método menos costoso de caracterizar mecánicamente un
material ya que no requiere una preparación de la muestra elaborada, implica equipos de pruebas
bastante baratos y es relativamente rápido. Las investigaciones teóricas y empíricas han dado lugar a
relaciones cuantitativas bastante exactas entre la dureza y otras propiedades mecánicas de los
materiales. Estas relaciones ayudan a medir estas propiedades con una precisión suficiente para el
control de calidad durante las etapas intermedias y finales de fabricación. Muchas veces, las pruebas
de dureza son la alternativa de una prueba no destructiva disponible para calificar y liberar el
terminó de componentes para aplicaciones de ensayos no destructivos (END).
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
2.4.2. Principios de dureza Brinell.
Un identador de forma esférica se presiona en la prueba de dureza Brinell, bajo una carga fija
normal a la superficie suave de un material. Cuando se alcanza el equilibrio, la carga del penetrador
se retira y el diámetro de la huella que se formó en la superficie se mide utilizando un microscopio
con una escala de milímetro incorporada. La dureza Brinell se expresa como la proporción de la
carga (W) a la zona de la cóncava (es decir, en contacto con) superficial de la huella esférica que se
supone soportara la carga y se da como número de dureza Brinell (BHN) denotado por HB
(Hardness Brinell). Por lo tanto:
HB  2W /  D 2 1 

1   d / D   
2
(1.8)
donde W es la carga en kilogramos, y d y D son los diámetros de la huella y el identador,
respectivamente, en milímetros. Sin embargo, BHN, aunque ampliamente y universalmente
aceptado en la fabricación de la práctica, no es un concepto satisfactorio, ya que no representa la
presión media sobre el área curvada (véase la siguiente discusión). Examen del equilibrio del
identador (esfera) bajo carga mostraría que la presión media sobre el área esférica de la huella viene
dada por la carga, dividida por el área proyectada de huella, o:
P  W /  d 2 / 4 
(1.9)
donde P es la dureza de Meyer también expresada en kilogramos por milímetro cuadrado
(kgf/mm2).
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
.
Fig. 19.- Huellas geométricamente similares producidas por un identador esférico de distintos
diámetros. Tenga en cuenta que la φ de ángulo sólido y la relación de d y D son los mismos para
ambas huellas.
En el caso de los metales trabajados muy fríos, es observado experimentalmente que la dureza de
Meyer es independiente de la carga aplicada; es decir, la deformación de resistir la presión media es
aproximadamente constante. La Dureza Brinell, sin embargo, es casi constante durante las cargas
más pequeñas pero disminuye como aumenta la carga, que indica incorrectamente que los materiales
seden a mayores cargas de la huella.
Basado en el criterio de Tresca o Huber-Mises, Timoshenko demostró que cuando se presiona una
esfera en un metal bajo carga, el máximo esfuerzo cortante y, por lo tanto, la deformación plástica
comienza a una profundidad igual a 0.5a donde 2a es el diámetro de la huella, como en la X en la
figura 20. El máximo esfuerzo cortante en este punto ha demostrado ser 0.47 PM, donde PM es la
presión media sobre el identador. Del criterio de Tresca-Mohr, resulta evidente que la
transformación plástica empezaría en X cuando 0.47 PM = ½Y ó PM = 1.1 Y. La figura 20 muestra
también contornos de la tensión de corte expresada en términos de la PM en función de la distancia
de X.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
Fig. 20. Deformación elástica de una superficie plana en un órgano semi-finito elástica bajo una
carga sin dificultades.
Si la carga es reducida o eliminada antes de que la PM alcanza el valor 1.1Y en X, no habrá ninguna
deformación permanente o sangría; es decir, habrá una completa recuperación elástica, sin embargo,
cuando la PM excede el valor de 1.1Y, la deformación plástica comienza en X, y la región plástica
crecerá en tamaño a expensas de las regiones plástico-elástica y elásticas subyacentes al identador.
Este proceso continuará hasta que la presión promedio en el volumen de plástico alcanza un valor
≈3Y. Cuando se alcanza el equilibrio entre la identador y el material durante la huella, y el flujo de
plástico se detiene, la carga del identador es compatible con la deformación en el material. Si se
elimina la carga, por lo tanto, habrá una recuperación elástica con un cambio correspondiente en la
forma del volumen plásticamente deformado y, por tanto, el de la huella. En la figura 21, el punto L
representa el comienzo de la deformación plástica a una presión media correspondiente a la versión
1.1 Y. El intervalo de L-M representa un incremento gradual en el estrés de plástico, que en última
instancia alcanza un valor ≈3Y correspondiente a la sección de M-N de la curva cuando se alcanza
la plasticidad completa.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
Fig. 21.- Característica de carga de presión experimental de hendiduras se formó en acero
endurecido por el trabajo por un disco duro de forma esférica. El rendimiento de esfuerzo del acero,
Y = 77 kg/mm2. Diámetro de bola es de 10 mm. La línea discontinua es el resultado teórico de
deformación elástica. OL, región elástico; LM, región de plástico elástico; y MN, región totalmente
plástico.
La forma piramidal de diamante fue introducida por Smith y Arenalandia y más tarde fue
desarrollada por Vickers-Armstrong. El identador en forma de pirámide cuadrada con caras opuestas
hace un ángulo incluido de 136 ° entre sí. El origen de este valor del ángulo se remonta a la práctica
de prueba de dureza Brinell. Es costumbre que en pruebas para seleccionar la dureza Brinell las
cargas para el diámetro de la huella se encuentran entre 0.25 D y 0.5 D donde D es el diámetro de
identador. Por lo tanto, un promedio de los dos diámetros, 0.375 D, fue elegido para el diámetro de
la huella como se muestra en la figura 22, que también muestra el origen del ángulo incluido 136 °
del identador de Vickers. La geometría del identador es tal que el área proyectada de la huella es
0.927 veces el área de la superficie de contacto. Como la dureza Vickers, HV, se define como la
carga dividida por la superficie de la sangría, la presión de rendimiento, P, está relacionada con el
número de dureza Vickers por la relación HV = P. 0.927
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
Fig. 22.- Relación entre el ángulo de 136 ° incluido entre las caras opuestas de un penetrador de
Vickers y el penetrador de Brinell esférico de diámetro D.
2.4.3. Ensayo de dureza Brinell.
Se denomina dureza la resistencia que presenta un cuerpo a ser penetrado por otro. Por tanto, el
método usual para ensayar la dureza consiste en hacer presión perpendicularmente a la superficie de
la probeta con un cuerpo testigo más duro. (Ver figura 23). Bajo la acción del testigo, se forma en la
probeta un estado de esfuerzo de tres ejes. Así se pueden obtener huellas permanentes incluso en los
materiales más duros, sin riesgo de rotura.
Esto es lo que diferencia el ensayo de dureza del ensayo de tracción. En este se produce en la
probeta un estado de esfuerzo de un solo eje, y en los materiales duros no es posible la deformación
plástica.
La ventaja del ensayo de dureza, frente al de tracción, es que los valores característicos del material
se conocen sin destruir la probeta, quedando una única huella, realmente pequeña, del testigo
(ensayo de entrada).
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
Fig. 23.- Ensayo de dureza Brinell
El inconveniente es que en el ensayo de dureza sólo se obtiene uno de los índices de resistencia, el
específico del método empleado, pero no la propia resistencia. Por eso se da siempre el método de
ensayo. En el Ensayo de dureza de Brinell se utiliza como testigo una bola de acero templado. Con
la bola se ejerce sobre la probeta una presión definida, que depende del diámetro de la bola y del
material a ensayar. Después de un determinado tiempo se mide el diámetro del molde de la bola que
queda, como lo mostrado en la figura 23.
La dureza Brinell se calcula con la fuerza de ensayo F y la superficie de la huella AB de la bola. Del
diámetro de la bola D y del diámetro de la huella d, resulta:
HB 
0.102  F
0.102  F

AB
0.5 D D 2  d 2


(1.10)
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
Fig. 24.- Medición de la huella de la bola.
El factor 0.102 viene dado históricamente, y se refiere a la conversión de kp/mm2 a N/mm2. Cuando
el molde de la bola no es circular, se aplica la media de dos mediciones perpendiculares.
Para que se puedan relacionar las durezas de distintos materiales, formas de las probetas y diámetros
de las bolas, es necesario seguir determinadas normas.
Diámetro de las bolas.
Están normalizados los diámetros 10, 5, 2.5 y 1
mm.
Tiempo de acción.
La fuerza de ensayo se debe aplicar como mínimo entre 10 y 15 seg, también 30 seg y más sobre
probetas de materiales fluentes. La fuerza debe alcanzar su máximo como mínimo en 5 seg.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
Grado de carga.
Para que el molde de la bola se pueda leer con claridad, y sea reproducible, el diámetro del molde
debe encontrarse entre d=0.2 y D=0.7. Para cumplir esta condición con materiales de distintas
durezas, se recomiendan distintas presiones superficiales, es decir, la fuerza y el cuadrado del
diámetro de la bola deben estar en una relación determinada. Esta relación se denomina grado de
carga x.
x
0.102F
D2
(1.11)
El factor 0.102 resulta, de nuevo, de la conversión de kp en N. En la siguiente tabla se contienen los
grados de carga de distintos materiales.
Tabla. 1.- Grado de carga
en función del material.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
Fuerzas de ensayo.
Así resultan, para las bolas utilizadas en WP300 de 10 mm de diámetro, las siguientes fuerzas de
ensayo.
Tabla. 2.- Fuerza de ensayo F en función del grado de carga x con diámetro de la bola D = 10 mm.
2.4.4. Realización del experimento.
Se ensayan probetas de 4 materiales distintos. A todas las probetas se le aplica un grado de carga de
10. Para la probeta de acero se recomienda, según la tabla de la página 20, un grado de carga 30. Sin
embargo, con WP300 no se puede aplicar la fuerza necesaria de 29 kN. Pero como la dureza Brinell
de la probeta de acero está, con toda seguridad, por debajo de HB 315, el grado de carga 10 es
también admisible.
El procedimiento para la realización del experimento es como sigue:
- Colocar la probeta.
- Girando el volante, bajar con cuidado la bola hasta la probeta.
- Aplicar con el volante una fuerza de 9800 N, igual a 9,8 kN, sin tirones. No aplicar la fuerza con
demasiada rapidez. La subida al valor máximo debe tardar un mínimo de 5 seg.
- Mantener la fuerza entre 10 - 15 seg, y después descargar.
- Quitar la probeta, y medir el molde con la lupa. Si es necesario, hallar la media.
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
Análisis.
Los resultados se anotan en una tabla. La dureza Brinell se calcula con la siguiente fórmula:
HB 
0.102  F
0.102  F

AB
0.5 D D  D 2  d 2


Tabla. 3.- Dureza Brinell.
En general, los grados de dureza medidos coinciden con los de la bibliografía.
(1.12)
TESINA
Capítulo 2
Desarrollo del tema
2.5. Conclusión: Propuestas para el Material del Identador.
Envista de las pruebas y ensayos realizados a los distintos materiales y teniendo en cuenta la
necesidad de que el material sea el adecuado para que tenga una durabilidad mayor a los otros
materiales, debido a la región donde nos encontramos que es bastante humedad, debe ser resistente a
la corrosión y a la deformación por compresión pues este será sometido a distintas cargas que
resisten los materiales con que son fabricadas las probetas.
Se llego a la conclusión de que este debe ser fabricado con un acero inoxidable el cual es el
adecuado para el diseño de nuestro identador.
Fig. 25.- Proceso de maquinado de las puntas del identador.
2.5.1. Características del material del identador.
Particularmente en el caso del acero inoxidable, se trata de un metal altamente resistente a los
peligros de la corrosión, en especial porque tiene un cromo definido que, a su vez, presenta una
afinidad con el oxigeno, al punto de reaccionar en conjunto y formar una especie de capa llamada
pasivadora, puesto que evita, justamente, la corrosión del hierro. Debido a estas características es
que se selecciono el acero inoxidable para que las puntas del identador no se deterioren debido a la
corrosión, ya que esta región en la que nos encontramos es muy húmeda y esto tiende a desgastar los
materiales que en ella se utilizan.
TESINA
Capítulo 3
Conclusiones
CAPITULO 3.
CONCLUSIONES.
Este trabajo se desarrolló con la finalidad de proporcionar información acerca del diseño de un
identador de acurdo a sus normas establecidas. La información de propiedades, normas y los
ensayos de materiales fueron realizados en el laboratorio de mecánica. Esto nos ayuda para poder
asentar una buena fundamentación para dicho identador el cual será desarrollado por compañeros
quienes realizarán un trabajo práctico, el cual es fabricar el identador en físico.
Con base en la documentación obtenida se concluye que las pruebas realizadas de ensayos de dureza
en el laboratorio nos dan una visión más amplia para poder realizar y diseñar el identador que se
propone para este trabajo recepcional. Para poder realizarlo, se baso en la norma DIN 50125, dicha
norma nos marca las especificaciones de las probetas que se tienen en el Laboratorio de la Facultad
de Ingeniería Mecánica Eléctrica, que son fabricadas bajo esta norma. En base a esta se realizaron
los ensayos para determinar cuál es la fuerza necesaria para poder marcar la probeta y no dañarla.
El costo de estas es muy elevado aproximadamente de $800.00 pesos siendo esta de origen
importado pues cuenta con lo especificado, y el ensayo requerido sólo nos lleva un tiempo
aproximado de un minuto por práctica. Las que fabrican los alumnos no están completamente
realizadas bajo dicha norma. Por lo cual este identador nos servirá para proporcionar a las probetas
una marca que ya traen las que se compran de fábrica. Con esto los alumnos y la facultad estarían
ahorrando en los gastos de compra de probetas, pues estas se podrían marcar al contar con nuestro
propio identador. Y será más fructuoso para la formación del estudiante por el proceso que este
efectuará desde el maquinado, marcado y ensayo de la probeta junto con las normas que tendrá
como apoyo y se le facilitará el uso y comprensión de estas.
Con las propiedades de los materiales nos ayudamos para satisfacer las necesidades que cumplan
con el requerimiento y exigencias de un material adecuado para las condiciones necesarias de uso.
Esto a su vez, junto con las normas de los materiales y los estudios desarrollados en los ensayos de
materiales, permitirá reforzar y confirmar el resultado de nuestra propuesta de un material para la
Análisis del material utilizado para el Identador de probetas de ensayo de tensión
52
TESINA
Capítulo 3
Conclusiones
elaboración del identador y este a su vez esté bien fundamentado bajo las normas, las cuales
refuerzan nuestra propuesta.
Como conclusión general tenemos que los objetivos de este trabajo recepcional se han cumplido, los
cuales eran presentar la importancia de diseñar y tener nuestro propio identador de probetas para las
pruebas de ensayos de tensión.
Fig. 26.- Identador terminado.
TESINA
Capítulo 3
Conclusiones
BIBLIOGRAFIA.
[1] E. I. Molar V., J. Valle A., A Marquina Ch., “Manual de Prácticas de Laboratorio de Pruebas
de Tensión de Materiales” (Trabajo Práctico Educativo)” Disertación de Licenciatura, Facultad
de Ingeniería Mecánica Eléctrica-campus Poza Rica, Universidad Veracruzana. Poza Rica de
Hgo., Veracruz, México, 2007.
[2] O. Gil C, D. Ramírez A., A Marquina Ch., “Manual de Prácticas de Laboratorio de Pruebas de
Compresión de Materiales” (Trabajo Práctico Educativo)” Disertación de Licenciatura, Facultad
de Ingeniería Mecánica Eléctrica-campus Poza Rica, Universidad Veracruzana. Poza Rica de
Hgo., Veracruz, México, 2010.
[3] IEEE Criteria for Class IE Electric Systems, IEEE Standard 308, 1969.
[4] DIN Prüfung metallischer werkstoffe-Zubgroben (Ensayo de materiales metálicos- Ensayo de
piezas a tensión), DIN Standard 50125:2004-01, 2009.
[5] Mechanical Testing and Evaluation, Volume 8, ASM Handbook, OH, USA, 2003, pp. 416-426.
ISBN 0-87170-389-0.
[6] James M. Gere. Mecánica de Materiales, 6ª ed. USA Press, 2004, pp. 1–44. ISBN 970-686482-2.
[7] R.C. Hibbeler. Mecánica de Materiales, 6ª ed. USA Press, 2006, pp. 85–109. ISBN 970-686482-2.
[8] James F. Shackelford, Ciencia de Materiales para Ingenieros, 3ª ed. USA Press, 1992, pp 329363. ISBN 968-880-475-4.
[9] Madhucar Vable. Mecánica de Materiales, 1ª ed. Press, 2006, pp. 88–95. ISBN 978-970-613770-8.
[10] Beer, Johnston, DeWolf. Mecánica de Materiales, 4ª ed. USA Press, 2007, pp. 48–57. ISBN
970-10-6101-2.
TESINA
ANEXOS.
Tabla 4.- Ensayo de tracción Probeta B6 x 30 DIN 50125 de AlMgSiO.5.
Tabla 5.- Ensayo de tracción Probeta B6 x 30 DIN 50125 de E-Cu.
Capítulo 3
Conclusiones
TESINA
Capítulo 3
Conclusiones
Tabla 6.- Ensayo de tracción Probeta B6 x 30 DIN 50125 de CuZn39Pb3.
Tabla 7.- Ensayo de tracción Probeta B6 x 30 DIN 50125 de 9SMn28.
TESINA
Capítulo 3
Conclusiones
Grafica 1.- Diagrama fuerza-alargamiento, probeta B6 x 30 DIN 50125 de AlMgSiO.5.
Grafica 2.- Diagrama fuerza-alargamiento, probeta B6 x 30 DIN 50125 de E-Cu
TESINA
Capítulo 3
Conclusiones
Grafica 3.- Diagrama fuerza-alargamiento, probeta B6 x 30 DIN 50125 de CuZn39Pb3
Grafica 4.- Diagrama fuerza-alargamiento, probeta B6 x 30 DIN 50125 de 9SMn28
TESINA
Tabla. 8.-
Capítulo 3
Conclusiones
TESINA
Capítulo 3
Conclusiones
APENDICE.
ASME: ASME es el acrónimo de American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana
de Ingenieros Mecánicos). Es una asociación profesional, que además ha generado un código de
diseño, construcción, inspección y pruebas para equipos, entre otros, calderas y recipientes a
presión. Este código tiene aceptación mundial y es usado en todo el mundo. Hasta el 2006, ASME
tenía 120.000 miembros.
ASTM: American Society for Testing Materials, universalmente conocida en el mundo técnico
como ASTM. La ASTM está entre los mayores contribuyentes técnicos del ISO, y mantiene un
sólido liderazgo en la definición de los materiales y métodos de prueba en casi todas las industrias,
con un casi monopolio en las industrias petrolera y petroquímica.
ASTM 638: En esta norma se especifican las condiciones de los ensayos para determinar las
propiedades de tracción de los plásticos reforzados y sin reforzar y se aplica a los tipos de probetas
tubulares.
DIN: DIN es el acrónimo de Deutsches Institut für Normung (en español, Instituto Alemán de
Normalización).
DIN 50125, 58455: Son normas para las pruebas de ensayos de tensión en probetas tubulares.
DIN 4762, 4768, 47771 Y 4775: Estas normas son para las pruebas de rugosidad en los materiales.
PND: Prueba no destructiva.
END: Ensayo no destructivo.
Dureza Webster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de difícil
manejo como perfiles largos extruidos.
Dureza Vickers: Es un método para medir la dureza de los materiales. Sus cargas van de 5 a 125
kilopondios (de cinco en cinco). Su penetrador es una pirámide de diamante con un ángulo base de
136°.
Dureza Shore: Se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer sobre él un material
más duro. Si el material es blando absorbe la energía del choque, si el material es duro produce un
rebote cuya altura se mide.
Análisis del material utilizado para el Identador de probetas de ensayo de tensión
60
TESISINA
Capítulo 3
Conclusiones.
Ra: valor de rugosidad media.
Rz: profundidad de la rugosidad media.
JISC: Japanese Industrial Standards Committee (Comisión de normas industriales japonesas), que
es un ente del Japón. Sus objetivos son la promoción industrial de la normalización en los países de
la costa del Pacífico, para formar opiniones comunes para ser presentadas a organizaciones de
normas internacionales.
ISO: La ISO (International Standarization Organization) es la entidad internacional encargada de
favorecer la normalización en el mundo. Con sede en Ginebra, es una federación de organismos
nacionales.
ISO/DP527: Norma utilizada para los ensayos de tracción en distintos materiales y con probetas
tubulares.
HB: Hardness Brinell (Dureza Brinell).
BHN: número de Dureza Brinell.
PM: Presión media sobre el identador.