59436294 Informe 1 Ensayo de Dureza

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

Laboratorio de Ciencia De Los Materiales

INFORME Nº 1

ENSAYOS DE DUREZA

Curso:

Ciencia De Los Materiales // MC112-E

Profesor:

Ing. Zamora Ramos Luciano

Integrantes:

Corzo Matamoros, Jimmy Dangelo 20090188I

2011-I

ÍNDICE

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ENSAYO DE DUREZA

Laboratorio de Ciencia de los Materiales

ÍNDICE....................................................................................................................................................2

OBJETIVOS..............................................................................................................................................3

FUNDAMENTO TEÓRICO........................................................................................................................3

DUREZA ROCKWELL............................................................................................................................3

DUREZA BRINELL................................................................................................................................5

DUREZA VICKERS................................................................................................................................5

DUREZA SHORE...................................................................................................................................6

DESCRIPCIÓN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS...............................................................................6

Equipo Rockwell:................................................................................................................................6

Equipo Vickers:...................................................................................................................................7

Equipo Shore:.....................................................................................................................................7

Durómetro Universal:.........................................................................................................................8

DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO......................................................................................................8

Método Rockwell (HRB/HRC):............................................................................................................8

Método Vickers (HV):.........................................................................................................................9

DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO.............................................................................................10

En el Equipo Rockwell:......................................................................................................................10

En el Equipo Universal:.....................................................................................................................10

En el Equipo Vickers:........................................................................................................................10

CÁLCULOS Y RESULTADOS....................................................................................................................11

En el Método Rockwell:....................................................................................................................11

Resultados....................................................................................................................................11

En el Método Vickers:.......................................................................................................................11

Resultados....................................................................................................................................12

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...............................................................................................13

CUESTIONARIO.....................................................................................................................................13

BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................................................15

OBJETIVOS

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ENSAYO DE DUREZA


Diferenciar los tipos de ensayos de Dureza.

Conocer y aplicar las normas que establece la Norma Técnica Peruana.

Aprender de forma práctica el proceso para determinar la dureza de un material.

Identificar a los materiales mediante la su dureza y poder compararlos e

identificarlos mediante las escalas de dureza más importantes.

FUNDAMENTO TEÓRICO

Se entiende por dureza la propiedad de la capa superficial del material de resistir a la deformación elástica, plástica o a la destrucción en presencia de acciones de contacto locales inferidas por otro material más duro, que no se somete a la deformación residual del cuerpo (indentor o penetrador) de determinadas forma y dimensión. Esta afirmación es válida no para todos los métodos existentes. La variedad de estos métodos y el sentido físico diferente de los números de dureza, dificulta la elaboración de una definición común de la dureza como propiedad mecánica. A continuación pasaremos a definir algunos principales métodos para medir la dureza de un material:

DUREZA ROCKWELL

La dureza Rockwell o ensayo de dureza Rockwell es un método para determinar la dureza, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de dureza Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar prácticamente cualquier metal o aleación. Hay dos tipos de penetradores: unas bolas esféricas de acero endurecido (templado y pulido) de 1/16, 1/8, ¼ y ½ pulg, y un penetrador cónico de diamante con un ángulo de 120º +/- 30' y vértice redondeado formando un casquete esférico de radio 0,20 mm (Brale), el cual se utiliza para los materiales más duros.El ensayo consiste en disponer un material con una superficie plana en la base de la máquina. Se le aplica una precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la deformación elástica y obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica durante unos 15 segundos un esfuerzo que varía desde 60 a 150 kg a compresión. Se desaplica la carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de material que se utilice. También se puede encontrar la profundidad de la penetración con los valores obtenidos del durómetro si se conoce el material.Para no cometer errores muy grandes el espesor de la probeta del material en cuestión debe ser al menos diez veces la profundidad de la huella. También decir que los valores por debajo de 20 y por encima de 100 normalmente son muy imprecisos y debería hacerse un cambio de escala.El cambio de escala viene definido por tablas orientativas, puesto que no es lo mismo analizar cobre que acero. Estas tablas proporcionan información orientativa sobre qué escala usar para no dañar la máquina o el penetrador, que suele ser muy caro.

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ENSAYO DE DUREZA


Escalas de dureza Rockwell

Símbolo dela Escala

Penetrador Carga mayor(kg)

Aplicaciones

A Diamante 60 Aceros tratados y sin tratar. Materiales muy duros. Chapas duras y delgadas.

B Esfera de 1/16 pulgada

100 Aceros recocidos y normalizados.

C Diamante 150 Aceros tratados térmicamente.D Diamante 100 Aceros cementados.E Esfera de 1/8

pulgada100 Metales blandos y antifricción.

F Esfera de 1/16 pulgada

60 Bronce recocido.

G Esfera de 1/16 pulgada

150 Bronce fosforoso y otros materiales.

H Esfera de 1/8 pulgada

60 Metales blandos con poca homogeneidad, fundiciones con base hierro.

K Esfera de 1/8 pulgada

150 Aplicaciones análogas al tipo anterior.

Nomenclatura:Las durezas Rockwell y Rockwell Superficial vienen dadas por la siguiente fórmula:

nHRletraDónde:• n es la carga aplicada en kg• HR es el identificador del ensayo Rockwell• letra va a continuación de y es la letra correspondiente a la Escala usada

Un ejemplo para un material que se le ha aplicado un esfuerzo de 60 kg y se ha usado la escala B sería:

60HRBCondiciones del ensayo:

1. La superficie del material debe estar lisa, seca y libre de grasa, polvo etc.2. El espesor de la probeta debe ser por lo menos diez veces la profundidad de la

huella, y el ensayo no es válido si en la cara posterior a la del ensayo aparece una protuberancia.

3. Si se ensaya una pieza cilíndrica, el radio debe ser mayor en seis milímetros al del penetrador. Los valores de dureza resultan ligeramente inferiores a los valores reales.

4. La aplicación de la carga debe hacerse de manera perpendicular a la superficie de la probeta.

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ENSAYO DE DUREZA


DUREZA BRINELL

Se denomina dureza Brinell a la medición de la dureza de un material mediante el método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar. Fue propuesto por el ingeniero sueco Johan August Brinell en 1900, siendo el método de dureza más antiguo.Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El indentor usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo típico se suele utilizar una bola de acero de 10 a 12 milímetros de diámetro, con una fuerza de 3.000 kilopondios. El valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material.El peso de la bola se puede obtener con la siguiente expresión:

P=K . D2Dónde:

- P: Carga a utilizar medida en (kilogramos fuerza).- K: Constante para cada material, que puede valer 5 (aluminio, magnesio y

sus aleaciones), 10 (cobre y sus aleaciones), y 30 (aceros).- D: Diámetro de la bola (indentor) medida en [mm].

Este ensayo sólo es válido para valores menores de 600 HB en el caso de utilizar la bola de acero, pues para valores superiores la bola se deforma y el ensayo no es válido. Se pasa entonces al ensayo de dureza Vickers.

Fórmula aplicadaPara determinar el valor de la dureza Brinell se emplea la siguiente ecuación:

HB= 2 Pπ D2 ( 1

1−√1− d2D2 )Dónde:

- P : Carga a utilizar medida en kilogramos fuerza.- D : Diámetro de la bola (indentor) medida en (mm).- d : Diámetro de la huella en superficie en (mm).

Valores típicosEl valor HB suele ser menor que 600.

• Acero (blando) : 120 HB• Acero de herramientas : 500 HB• Acero inoxidable : 250 HB• Aluminio : 15 HB• Cobre : 35 HB• Madera : entre 1 HB y 7 HB• Vidrio : 482 HB

DUREZA VICKERS

El ensayo de dureza Vickers, llamado el ensayo universal, 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°. Este tipo de ensayo es recomendado para durezas superiores a 500 HB (en caso de ser inferior, se suele usar el ensayo de dureza Brinell). Este ensayo, además, puede usarse en superficies no planas. Sirve para medir todo

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ENSAYO DE DUREZA


tipo de dureza, y espesores pequeños. (Aunque si el material es muy blando, se usa el método de Brinell). Se emplea para láminas delgadas de hasta 0,15 mm (0.006 pulgadas) y no se lee directamente en la máquina.Fórmula aplicada

HV=1.8544 .Pd2

Dónde:- P : Carga a utilizar en kilogramos fuerza.- d : diámetro de la huella.

Condiciones de ensayo:1. La superficie de la probeta debe ser pulida, plana; estar limpia,

homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes.2. s = 1,5 d (s= espesor de la probeta).3. Distancia entre centros de 2 huellas = (3-6) d.4. Distancia del centro de la huella al borde = 2,5-3) d.5. Temperatura de ensayo = 23 º C±5 ºC6. En probetas cilíndricas, P debe ser tan pequeña que f < 0,01 mm. d ±

0,001 mm. ; d> 0,5 mm. → d ± 0,01 mm (f : profundidad de la huella).

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 por esa razón solo se utiliza para materiales duros o muy duros, no es recomendado para materiales blandos. La práctica se realiza en un "esclerómetro" o "escleroscopio", aparato formado por un tubo de cristal de 300 mm de altura, por cuyo interior cae un martillo con punta de diamante redondeada de 2,36 g. La altura de la caída es de 254 mm y la escala está dividida en 140 divisiones.

Condiciones de ensayo:1. Superficie plana, limpia, pulida y perpendicular al esclerómetro.2. Hacer 3 ensayos y cada vez en sitios diferentes (endurecimiento de la superficie por

el choque).

DESCRIPCIÓN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS

Equipo Rockwell:

Marca: Wilson.

Se utilizó 4 probetas lisas de ½ pulgada.

Se utilizó 2 cargas: 60kg y 100 kg.

Usa 4 yunques diferentes.

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ENSAYO DE DUREZA


Figura 1. Durómetro Rockwell del Laboratorio 4 de la FIM.

Equipo Vickers:

Marca: Lits (alemán).

Cuenta con: un lente oscilador, un lente objetivo, un sistema de iluminación y una

rejilla graduada con líneas de separación de 25 micras.

Figura 2. Durómetro Vickers del Instituto de Motores (FIM).

Equipo Shore:

Esclerómetro Shore.

Cuenta con: Un vástago de vidrio con metraje, lupa acoplada al vástago, manguera,

bombilla, Martillo de 1/22 onzas (indentador en este caso).

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ENSAYO DE DUREZA


Figura 3. Durómetro Shore del Instituto de Motores (FIM).

Durómetro Universal:

Marca: Zwick 3106.

Se utilizó 5 probetas lisas de ½ pulgada.

Se utilizó 2 cargas: 60kg y 100kg.

Figura 4. Durómetro digital Universal del Instituto de Motores (FIM).

DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO

Método Rockwell (HRB/HRC):

1. Para realizar el ensayo de Dureza Rockwell primero debemos verificar que el equipo se encuentre en las condiciones apropiadas. Las cuales son que el dispositivo con el que se ejercen los esfuerzos debe permitir la aplicación de la carga inicial, la sobrecarga y el retiro de esta última en forma lenta y uniforme, sin vibraciones ni choques. Asimismo, el penetrador debe presentar una dureza Vickers mayor a 850HV y un diámetro nominal de 1.5875mm con una tolerancia de 0.0035mm. Esta, además, debe ser pulida, exenta de grietas y todo defecto superficial.

2. Una vez verificada la conformidad del equipo procedemos a colocar el espécimen en una superficie plana y rígida a fin de que apoye perfectamente y no sufra desplazamiento durante el ensayo. Las superficies en contacto deben estar limpias y exentas de materias extrañas.

3. El penetrador debe ponerse en contacto con la superficie del espécimen perpendicular a él. Posteriormente, sin choque y con sumo cuidado se debe aplicar la carga inicial de P0=10Kg, que produce una penetración

inicial h0. Alcanzada esta carga se ajusta el aparato haciendo coincidir la

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ENSAYO DE DUREZA


aguja indicadora con el origen de las lecturas. Por último, aplicamos la sobrecarga de P1=90 kg lentamente en un lapso de 3 a 6 segundos que

logra una penetración máximah.4. Después de retirar la sobrecarga realizamos la lectura en el equipo, de

donde deduciremos la Dureza Rockwell del espécimen.

Figura 5. Detalle de la incidencia del penetrador en las tres fases.

Método Vickers (HV):

1. Antes de realizar el ensayo de Dureza Vickers debemos verificar que el equipo cumpla los requerimientos necesarios. En especial el penetrador o indentor de diamante, el cual tiene la forma de una pirámide de cuatro caras con un ángulo en el vértice de α ≈136 °.

2. Luego, se garantiza que la superficie de la muestra este totalmente limpia y sea completamente perpendicular al penetrador. Para esto, nosotros utilizamos plastilina y un aplanador a presión manual con el cual otorgamos estas características al espécimen.

3. Seguidamente procedemos con el ensayo colocando la carga correspondiente, según el material, al equipo.

4. Terminada esta operación, retiramos la carga y procedemos a la medición de las diagonales de la carga con ayuda del microscopio.

Figura 6. Vista de las dos diagonales generadas por la incisión al material.

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DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO

En el Equipo Rockwell:

Material Escala Carga (kg) Indentor Dureza

Acero liso(SAE1010) B 100 Bola 1/16” 79,5Acero corrugado(SAE1045) B 100 Bola 1/16” 94

Aluminio H 60 Bola 1/8” 87,5

Cobre F 60 Bola 1/16” 44

Bronce F 60 Bola 1/16” 90,5

En el Equipo Universal:

MaterialEscala

Carga

1°Medición

2°Medición

3°Medición

Promedio

Acero liso(SAE1010) B 100 80,4 78,7 79,1 79,4Acero corrugado(SAE1045)

B 100 96,4 96,2 96,6 96,4

Aluminio F 60 52,0 48,2 53,5 51,2

Cobre F 60 42,0 46,7 41,3 43.3

Bronce B 100 59,8 60,6 59,5 59,97

En el Equipo

Vickers:

MaterialCarga

(gramos)Diagonal 1

(micras)

Diagonal 2

(micras)

Promedio deDiagonales

Aluminio 200g 75 - 75 micrasCobre Recocido 200g 62 - 62 micrasBronce 200g 40.8 40.4 40.6 micrasAcero liso(SAE1010)

200g 48 - 48 micras

Acero Carburado (SAE1045)

200g 37 - 37 micras

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CÁLCULOS Y RESULTADOS

En el Método Rockwell:La medición es directa por cuanto la escala Rockwell B aparece con números rojos en la parte frontal del durómetro, que hacen referencia al indentor en bola que empleamos con el durómetro Rockwell de marca Wilson.

Figura 7. Escala Rockwell.

Resultados

Material Escala Carga (kg) Indentor Dureza

SAE1010 B 100 Bola 1/16” 79,5SAE1045 B 100 Bola 1/16” 94Aluminio H 60 Bola 1/8” 87,5

Ferrosos

No Ferrosos

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Cobre F 60 Bola 1/16” 44Bronce F 60 Bola 1/16” 90,5

En el Método Vickers:La escala Vickers es otro ensayo de penetración que usa un indentor de diamante con un ángulo de 136°, como lo muestra la figura:

Figura 8. Indentor de Diamante (Pirámide).

Deja una huella en la probeta de forma rómbica, de la cual calculamos las longitudes de las diagonales con la ayuda del durómetro Vickers; para lo cual observamos por la lente del durómetro y observamos lo siguiente:

Figura 9. Lectura en Escala Vickers.

Debemos tener presente que la distancia entre cada línea de color negro equivale a 25 micras, para calcular el sobrante (D) ajustamos el graduador de tal manera que la línea negra más cercana intercepte a la punta superior de la huella. Esta distancia recorrida es la que arrojará la regla inferior a la huella, con esto obtenemos la distancia de la diagonal y hacemos el mismo proceso para la otra diagonal para hallar el promedio de diagonales.

d=d1+d22

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Figura 10. Huella de la probeta y promedio de diagonales.

Resultados:

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Recomendamos tener sumo cuidado al momento de hacer las mediciones y verificar que la plataforma sobre la que está la maquina con la que realizaremos el ensayo de dureza no este inclinada, ya que cualquier movimiento de la plataforma de maniobra del equipo puede alterar los resultados.

Recomendamos tener en cuenta que es necesario contar con la indumentaria adecuada (guardapolvos, guantes, etc.) al momento de realizar los ensayos.

Concluimos que en las mediciones de dureza es necesario tener a la mano bloques de referencia con las escalas respectivas en las que se esté midiendo, para evitar posibles errores al hacer las mediciones.

Concluimos que en la medición de dureza es necesario que el penetrador o juego de penetradores cuenten con certificado de calibración de acuerdo con normas internacionales, es importante citar que no son transferibles los penetradores.

Concluimos que es importante revisar el buen estado de las máquinas a utilizar para el ensayo de dureza y mucho más en caso de que este ya tenga un buen tiempo de uso, ya que eso se reflejara en nuestros resultados.

Finalmente es importante mencionar que una completa definición de las escalas de dureza no solo requiere la utilización de una máquina, bloque de referencia, penetradores y fuerzas aplicadas sino que es importante, además de lo anterior, seguir un ciclo de prueba común al método y

Probeta D (micras) P (gramos) Dureza(HV)Aluminio 75 200 65.93Cobre 62 200 96.48Bronce 40.6 200 224.99SAE1010 48 200 160.97SAE1045 37 200 270.91

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escala que se esté utilizando por eso es recomendable tener a la mano el

procedimiento del ensayo a aplicar.

CUESTIONARIO

¿Cómo relaciona la dureza obtenida por el método de dureza respecto a una aplicación?

Tomando en cuenta las tres propiedades fundamentales de los materiales que vienen a ser: la cohesión, la elasticidad y la plasticidad. Notamos que la propiedad que se relaciona con la dureza de los materiales es la cohesión, que es la resistencia que oponen los átomos a separarse unos de otros.

Otra posible observación respecto a la pregunta formulada es que simplemente la relación que encontraríamos de la dureza obtenida por el método de dureza con la aplicación es el procedimiento de la aplicación al querer hallar la dureza de cierto material.

Indique las ventajas y desventajas entre los métodos de dureza Rockwell, Vickers y Shore.

Ventajas del método Rockwell:

- Método rápido y preciso, no necesita de operarios especializados.- Huellas más pequeñas que el método Brinell.- Inconveniente tiene que si el material no asienta perfectamente, las

medidas resultan falseadas.- Prueba de dureza para aceros templados.

Ventajas del método Vickers:

- Las huellas Vickers son comparables entre sí; independientes de las cargas.

- Pueden medirse una amplia gama de materiales, desde muy blandos hasta muy duros, llegándose hasta 1.150 HV.

- Se pueden medir piezas muy delgadas con cargas pequeñas, hasta espesores de orden de 0,05mm.

- Puede medirse dureza superficial. (Para determinar recubrimientos de los materiales)

- La escala Vickers es más detallada que la Rockwell; 32 unidades Vickers = 1 unidad Rockwell

Ventajas del método Shore

- No se produce prácticamente ninguna huella en el material ensayado.- Permite medir dureza superficial de piezas terminadas.

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ENSAYO DE DUREZA


- Es el único ensayo NO destructivo para medir durezas.- Es un método rápido.

Una lámina de acero de 4 mm de espesor ha sido medida en las máquinas Rockwell y Brinell obteniéndose durezas de 20.0 HRC y 229 HB. Explique en los dos casos si las mediciones de dureza son correctas.

Brinell Diámetro

Huella

Dureza Brinell (HB)

Dureza Rockwell

(Ha)

Dureza Rockwell

(HRb)

Dureza Rockwell

(HRc)

Dureza Vickers

(HV)

Shore Resistencia a la tracción

Kg/mm2

4.00 229 61.0 99 21 229 35.0 77.94.05 223 60.5 98 20 223 34.0 75.8

Según las tablas de equivalencia de durezas a la dureza Rockwell de 20HRc le corresponde una dureza Brinell de 223 Hb, mientras que a la dureza Brinell de 229 Hb le corresponde una dureza Rockwell de 21 Hrc, por lo tanto una de los dos métodos ha sido medida de manera incorrecta

Defina qué es la dureza, que involucre en forma genérica a todos los métodos.La dureza se define como la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro material más duro. La dureza puede determinarse tomando como base varios procedimientos de resultados comparables, entre estos tenemos:

a. Por rayado .- escala Mosh (esclerómetro de Marlen usado en mineralogía).

b. Por abrasión .- método de la lima.c. Por penetración .- los más usados en metalografía (Brinnell, Vickers,

Rockwell, etc.).d. Por rebote .- usado para pequeñas durezas (Shore).

La determinación de la dureza, se hace generalmente por los ensayos de penetración, que consiste en dejar una huella en el material que se ensaya, aplicando sobre el un penetrador con una presión determinada y hallando el índice de dureza en función de la presión ejercida y la profundidad o diámetro de la huella. Los métodos más usados son los de Rockwell, Brinnell y Vickers.

Usando una lima tratando de sacar viruta, ¿nos daría una idea conceptual de las características y propiedades del material? Explique.Si debido a que en todo material templado la lima no "entra". Dependiendo de sí la lima entra o no entra sabremos:-No entra, el material raya a la lima; Dureza mayor de 60 HRC

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-Entra, la lima raya al material; Dureza menor de 58 HRC

Es necesario mencionar que nos estamos refiriendo a la lima que se utiliza en industria y la pregunta hace referencia también al método de la lima (anteriormente mencionado).

BIBLIOGRAFÍA

Tecnologías de los Materiales Industriales. Lasheras, Esteban. Pág. 193-

203

Tratamiento Térmico de los Aceros. Apraiz, J.

Técnicas de Laboratorio para pruebas de Materiales (Keyser, Carl.

Limusa-Wiley).

Pruebas Mecánicas y Propiedades de los Metales (Zolotorevski, V.

Editorial Mir).

The testing and Inspection of Engineering Materials (Troxell).

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