informe nº1
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Josshua Panchi Díaz22/Agosto/2012Primer Informe
Grupo 7
ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
Facultad de Ingeniería Mecánica
Tecnología de Conformado
Tema: Materiales en ingeniería mecánica
Objetivos: Reseña histórica de los materiales
Clasificación de los materiales
Estructuras
Propiedades
Solicitaciones mecánicas
Ensayos normalizados de dureza
Medida de dureza
Marco Teórico:
Reseña histórica de los materiales: buscando satisfacer sus necesidades el ser humano
aprendió a moldear y producir diferentes materiales, desde el comienzo a la actualidad
nuestra especie ha pasado por diferentes etapas de conocimiento en lo referente a la
producción de los materiales, y es precisamente esta producción la que determino la
forma de vida y la relación entre los individuos en las diferentes épocas. En las
sociedades primitivas la piedra se uso principalmente para satisfacer algunas
necesidades, así se fabricaron inicialmente adornos, armas y utensilios que macaron este
periodo como la “Edad de piedra” , posteriormente con el desarrollo de las sociedades,
el uso de la piedra era cada ves mas limitado y con el descubrimiento de materiales mas
duros y de mejores características, presentes en la naturaleza en un estado bastante
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puro, la piedra fue sustituyéndose progresivamente para dar paso al oro, plata y cobre,
inaugurándose así la “Edad de Bronce”.
Con el aumento del conocimiento del ser humano en el campo científico, así como con
el desarrollo de la economía en la sociedad, se volvió posible obtener materiales que no
se encuentran en estado puro en la naturaleza como es el caso del hierro.
El paso de la piedra al bronce que fue un avance muy importante en el desarrollo de la
humanidad se considera que ocurrió hacia unos 3000 años antes de nuestra era en Asia
occidental y en el mediterráneo. Si bien el uso de materiales metálicos se dio antes, el
descubrimiento de las técnicas de fundición da paso al bronce.
Dadas la mejores características con los nuevos materiales descubiertos, ocurre un gran
desarrollo en la sociedad y consecuentemente la aparición de nuevos descubrimientos,
de este modo paulatinamente una mayor cantidad de metales comienzan a ser
empleados, llegando a la época actual en la que se tiene miles de usos para las diferentes
aleaciones metálicas.
Actualmente algunos historiadores proponen la idea de que el ser humano se encuentra
en al época del silicio, o de los materiales electrónicos, además se trabaja con algunos
materiales nano-estructurados como ocurre con la fibra de carbono por ejemplo.
Clasificación de los materiales: a continuación se trata a los materiales como objeto
de estudio desde el punto de vista Mecánico y por ello se presenta la siguiente
clasificación, los materiales se dividen principalmente en: metálicos, cerámicos,
polímeros, elastómeros, madera y compuestos; cada cual tiene su propia estructura y
unidad estructural, así podemos decir que los materiales metálicos tienen como unidad
estructural a la celda, del mismo modo que los cerámicos y su estructura es cristalina
(igual los cerámicos). Los polímeros y elastómeros tienen como unidad estructural a los
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meros que unidos entre ellos millones de veces recrean las estructura del material, que
en general se considera polimérica. La madera se extrae de los arboles y tiene por
unidad estructural a las células, si esta en estado liquido, se la denomina látex y si esta
en estado solido fibra, su estructura es celulósica. Finalmente los materiales compuestos
tienen diferente unidad estructural para cada cual y para su estructura, se dirá
simplemente que es compuesta.
Cabe remarcar que considerando este tipo de clasificación, en la naturaleza, únicamente
es encuentran un 10% puros.
Resumiendo:
MaterialMicroestructura
(Unidad estructural)Estructura
Metales Celda Cristalina
Cerámicos Celda Cristalina
Polímeros y elastómeros Meros Polimérica
Madera Células Celulósica
Compuestos c/u Compuesta
Estructuras: Auguste Bravais físico y mineralogista francés estableció la teoría
reticular, según la cual la cual las moléculas de los cristales están dispuestas en redes
tridimensionales.
Uno de los conceptos fundamentales en la descripción de un solido es la red de Bravais,
que especifica cómo las unidades básica que lo componen (átomos, grupos de átomos o
moléculas), se repiten periódicamente a lo largo del cristal.
Una red de Bravais esta formada por vectores posición.
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Se llama celda primitiva unidad de una red de Bravais a un volumen en el espacio tal
que trasladándolo en el espacio mediante todos los vectores de dicha red llena todo el
espacio sin dejar vacíos ni superponerse, esto es una celda unidad contiene solamente un
punto de la red. Sin embargo existe un numero infinito de celdas primitivas, todas ellas
con el mismo volumen.
La estructura de un cristal real, queda definida cuando se de la red de Bravais
subyacente y la distribución de los átomos dentro de la red primitiva (motivo). La red
cristalina esta formada por copias de la misma unidad fundamental o motivo,
localizadas en todos los puntos de la red de Bravais.
[Imagen 1]
Existen 7 sistemas cristalinos, a cada uno de los cuales corresponde un grupo puntual
determinados, pueden existir redes de Bravais compartiendo un grupo puntual
existiendo en total 14 redes de Bravais cristalinas.
Para la tabla considere:
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[Imagen 2]
Sistema Cristalino Dimensiones Redes de Bravais
Cúbicoa=b=c
α=β=γ=90º
SC
BCC
FCC
Tetragonala=b≠c
α=β=γ=90º
SC
BCC
Ortorrómbicoa≠b≠c
α=β=γ=90º
SC
BCC
FCC
Centrada en las bases
Romboédrico o Trigonala=b=c
α=β=γ≠90ºSC
Hexagonal
a=b≠c
α=β=90º
γ=120º
SC
Centrada en la bases
Monoclínico
a≠b≠c
α=β=90º
γ≠90º
SC
Centrada en las bases
Triclínicoa≠b≠c
α ≠ β ≠ γ≠90ºSC
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[Imagen 3]
Propiedades: Debido a los diferentes criterios desde los cuales se puede analizar un
mismo material, existen varias propiedades de los materiales si tomamos en cuenta cada
criterio de análisis. Consideremos como una propiedad, las características que podemos
cambiar.
Se clasifica a las propiedades dentro de los diferentes criterios guiándonos en conceptos,
así se puede decir que:
1.- Son Propiedades físicas, aquellas que al quitar la acción, la reacción desaparece.
2.- Son propiedades químicas aquellas que al quitar la acción, permanece la reacción.
3.- Son propiedades físico-químicas, aquellas que al quitar un poco de la acción, un
poco de reacción desaparece y otro poco permanece.
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Existen algunas propiedades que no cambian como es: el color, la forma, la densidad,
etc.
Teniendo en cuenta lo anteriormente mencionado, se puede asignar a un mismo material
diferente propiedades, como son por ejemplo: eléctricas (conductividad, resistividad),
magnéticas, ópticas (reflexión, refracción), acústicas(reflexión, transmisión), térmicas y
mecánicas (cargas aplicadas). Resumiendo:
Propiedades Concepto Ejemplos
Físicas Sin acción, no reacción Color, forma, densidad
Químicas Sin acción, existe reacciónOxidación, acides,
alcalinidad
Físico-QuímicasAcción parcial, reacción
parcialRadioactividad
Solicitaciones Mecánicas: El comportamiento mecánico se describe a través de sus
propiedades mecánicas que son el resultado de ensayos simples e idealizados que se
conocen como Solicitaciones mecánicas, estos experimentos están diseñados para
representar diferentes tipos de condiciones de carga.
Dentro de las solicitaciones mecánicas encontramos ensayos de: tracción, compresión,
flexión, corte, torsión e indentación.
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El ensayo de tracción consiste en someter una probeta normalizada a un esfuerzo axial
de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta, este ensayo mide la
resistencia de la probeta a una fuerza estática o una fuerza aplicada lentamente.
[Imagen 4]
En el ensayo de compresión se somete una probeta normalizada a compresión en una
maquina universal y determina la resistencia de un material o su deformación ante un
esfuerzo de compresión.
[Imagen 5]
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El ensayo de flexión somete una probeta normalizada a flexión, y evalúa el
comportamiento esfuerzo-deformación y la resistencia a la deformación de los
materiales.
[Imagen 6]
El ensayo de corte o de cizalladura consiste en someter una probeta normalizada a un
esfuerzo de cizalladura y caracteriza la resistencia de un material al corte o el
desplazamiento
[Imagen 7]
El ensayo de torsión se refiere al análisis de la deformación helicoidal que sufre un
cuerpo cuando se aplica un par de fuerzas
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[Imagen 8]
El ensayo de indentación evalúa la resistencia de un material a ser identado (penetrado),
por otro.
[Imagen 9]
Ensayos normalizados de dureza: Los ensayos normalizados de dureza nos ayudan a
medir la dureza de los materiales; originalmente se crearon muchas formas para llevar a
cabo una prueba que midiese esta propiedad, pero con el tiempo se decide universalizar
estos métodos en un conjunto de reglas que se conocen como normas ISO, hoy en día
cada país puede tener su propio sistema de medición, como son las normas ASTM,
DIN, JIS pero conviene llevar todo a una norma universal si se trata de intercambio de
información.
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Las pruebas de dureza que se describirán a continuación pueden ser consideradas las
mas generales y son: Mhos, Shore, Brinell, Rockwell, Vickers y Knoop.
La prueba Mhos consiste en el método de rajadura, de forma que los materiales mas
duros rayan la superficie de los mas suaves para crear entonces una escala de dureza, el
objeto de estudio de esta escala se centra mayormente en minerales, según este método
la escala es:
Dureza Mineral Comentario
1 Talco Se puede rayar fácilmente con la uña
2 Yeso Se puede rayar con la uña con dificultad
3 Calcita Se puede rayar con una moneda de cobre
4 Fluorita Se puede rayar con un cuchillo de acero
5 Apatito Se puede rayar difícilmente con un cuchillo
6 Ortosa Se puede rayar con una lija para el acero
7 Cuarzo Raya el vidrio
8 Topacio Rayado por herramientas de carburo de wolframio
9 Corindón Rayado por herramientas de carburo de silicio
10 Diamante El mas duro, no se altera con nada excepto otro diamante
La prueba Shore se basa en la reacción elástica de un material, cuando dejamos caer
sobre el un material mas duro, si el material es blando absorbe el choque y si es duro
produce un rebote cuya altura se mide.
La practica se realiza con un esclerómetro, es un aparato formado por un tubo vertical
de 300 (mm) de altura y dividido en 140 partes, es el único ensayo no destructivo para
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medir durezas y casi no deja huellas en el material ensayado, se utiliza principalmente
para medir la dureza de polímeros y elastómeros.
El método Brinell emplea el medio de la indentación y consiste en medir la penetración
de un objeto en el material a estudiar, fue propuesto en 1900 por el ingeniero sueco
Johan August Brinell.
El identador utilizado es una esfera de acero templado o carburo de tungsteno con
diferentes diámetros. En los ensayos comunes se suele utilizar una esfera de 10 a
12(mm) de diámetro, con una fuerza de 3000 Kilopondios.
La formula aplicada es :
[Imagen 10]
Donde:
P = carga a utilizar medida en (Kp)
D= diámetro del identador medido en (mm)
d= diámetro de la huella en la superficie en (mm)
La escala Brinell es una escala universal de dureza, por lo que los resultados de otras
mediciones se suelen expresar en esta escala.
El método Rockwell fue introducido en 1920 y aunque es un método de indentación no
pretende medir la dureza a través de la determinación directa de los esfuerzos de
contacto, sino que la define como un numero arbitrario, inversamente proporcional a la
medida del identador. El identador utilizado puede ser una esfera endurecida de acero
de 1/16’’ o un cono de diamante.
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La norma ASTM E18-03 define el numero de dureza Rockwell como un numero de
dureza derivado del incremento neto en la profundidad del identador, cuando la fuerza
en el identador es incrementada desde una fuerza previa hasta una fuerza total y luego
retornada al valor de fuerza previa.
[Imagen 11]
Dependiendo del tipo de identador y de la carga que se utilice se pueden definir varios
tipos de escalas Rockwell, así:
RB: esfera 100 KgF
RC: cono 150 KgF
RA: cono 150 KgF
Durante el método de mediciones de dureza Vickers se hace penetrar un identador de
diamante con forma de pirámide de cuatro caras con un ángulo determinado en el
vértice. Es un proceso mayormente utilizado para piezas muy sensibles ya que la
indentación es microscópica.
Además de este método se obtiene otra escala universal de medición de dureza.
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[Figura 12]
Por ultimo el método Knoop es un examen de micro-dureza, realizado especialmente
para determinar la dureza de materiales muy quebradizos o laminas muy finas donde
solo se puede hacer hendiduras pequeñas para la prueba.
El test consiste en presionar en un punto con un diamante piramidal sobre la superficie
pulida del material a probar con una fuerza conocida, para un tiempo de empuje
determinado y la hendidura resultante se mide usando un microscopio.
Al igual que el método Vickers la escala resultante es una escala universal.
Medida de Dureza:
A continuación se describe el proceso de medición utilizando un durómetro bajo la
norma para obtener resultados en RB (Rockwell B).
Las probetas a probar son: Acero DF2, Acero de Construcción y Acero 705
Proceso de medición:
1.- Se ajusta la probeta
2.- El indicador debe marcar cero
3.- Se ajusta la precarga hasta el punto set
4.- Enceramos el equipo (movemos el tambor al otro extremo)
5.- Cargamos llevando la prensa a 100 KgF
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6.- Descargamos hasta el punto set
7.- Leemos el resultado de forma perpendicular al indicador
Se repite el proceso para todas las probetas
Datos obtenidos:
MaterialMedida
Promedio1 2 3
Acero DF2 H65RB H90RB H60RB H72RB
Acero de Construcción H94RB H80RB H95RB H90RB
Acero 705 H80RB H70RB H85RB H78RB
Datos calculados:
Material Medida (RB) Medina (B)
Acero DF2 H72RB H126B
Acero de Construcción H90RB H174B
Acero 705 H78RB H140B
Análisis de datos:
El acero de construcción es el mas duro de los tres tipos, le sigue el acero 705 y
finalmente el menos duro de los 3 es el acero DF2
Conclusiones:
1.- Los ensayos de dureza están normalizados
2.- El acero de construcción fue el mas duro para nuestro análisis de las 3 probetas
3.- Es posible trasladar los datos de dureza de una escala o otra
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Recomendaciones:
1.- Para realizar la medición de dureza es conveniente que las caras de la probeta sean
paralelas y están pulidas.
2.- Conviene trasladar las medidas obtenidas a una escala universal para tener una mejor
idea de la dureza del material.
3.- Tomar varias medidas para evitar errores en las lecturas
4.- Realizar las indentaciones separadas una de otra para tomar una lectura correcta
Bibliografía:
OVIEDO, F. ; Apuntes de fundición; No editorial; 2012; Quito.
http://www.slideshare.net/soniaacre/el-ser-humano-y-los-materiales [Imagen 4-8]
http://www.biografiasyvidas.com/biografia/b/bravais.htm
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http://www.unalmed.edu.co/~geotecni/GG-24.pdf
http://www.monografias.com/trabajos51/ensayo-torsion/ensayo-torsion.shtml
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http://es.wikipedia.org/wiki/Escala_de_Mohs_de_dureza_de_los_minerales
http://es.wikipedia.org/wiki/Dureza_Brinell [Imagen 10]
http://www.utp.edu.co/~gcalle/DUREZAROCKWELL.pdf [Imagen 11]
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Grupo 7
http://www.utp.edu.co/~gcalle/DUREZAVICKERS.pdf [Imagen 12]
http://es.wikipedia.org/wiki/Escala_de_Knoop
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