M FyE Mat Metalicos-Output

8/3/2019 M FyE Mat Metalicos-Output

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Serie: Desarrollo de contenidosColección: Materiales

Fundamentos y ensayos en materiales metálicosDiego Hernán Ruiz

Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología.Instituto Nacional de Educación Tecnológica.Saavedra 789. C1229ACE.Ciudad Autónoma de Buenos Aires.República Argentina.



a u t o r i d a d e s

PRESIDENTE DE LA NACIÓN

Dr. Néstor Kirchner

MINISTRO DE EDUCACIÓN, CIENCIA Y TECNOLOGÍA

Lic. Daniel Filmus

DIRECTORA E JECUTIVA DEL INSTITUTO N ACIONAL DE

EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

Lic. María Rosa Almandoz

DIRECTOR N ACIONAL DEL CENTRO N ACIONAL DE

EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

Lic. Juan Manuel Kirschenbaum



Fundamentos y ensayos en

materiales metálicos

Materiales

Serie:Desarrollo decontenidos

Educación técnico-profesional



Fecha de catalogación: 3/01/2006

Impreso en MDC MACHINE S. A., Marcelo T. de Alvear 4346(B1702CFZ), Ciudadela, en setiembre 2006

Tirada de esta edición: 2.000 ejemplares

Dirección del Programa: Juan Manuel Kirschenbaum

Coordinación general:Haydeé Noceti

Diseño didáctico:Ana Rúa

Administración:Adriana Perrone

Diseño gráfico:

Tomás AhumadaSebastián Kirschenbaum

Carolina Macedra

Diseño de tapa:

Tomás Ahumada

Con la colaboracióndel equipo de profesionalesdel Centro Nacional

de Educación Tecnológica

Todos los libros estándisponibles en la página

web del INET.www.inet.edu.ar

Serie “Desarrollo de contenidos”.Colección “Materiales”

Distribución de carácter gratuito.

Queda hecho el depósito que previene la ley n° 11.723. ©Todos los derechos reservados por el Ministerio de

Educación, Ciencia y Técnologia - Instituto Nacional deEducación Tecnológica.

La reproducción total o parcial, en forma idéntica o modificada por cualquier medio mecánico o electrónico incluyendofotocopia, grabación o cualquier sistema de almacenamientoy recuperación de información no autorizada en forma expresa por el editor, viola derechos reservados.

Industria Argentina.

ISBN 950-00-0547-6

Ruiz, Diego HernánFundamentos y ensayos en materiales metálicos,coordinado por Juan Manuel Kirschenbaum.- 1a ed. - Buenos Aires: Ministerio de Educación, Ciencia yTecnología de la Nación. Instituto Nacional de EducaciónTecnológica, 2006.88 p.; 22x17 cm. (Desarrollo de contenidos; 8)

ISBN 950-00-0547-6

1. Materiales Metálicos. II. Kirschenbaum, Juan Manuel, coord. II. Título

CDD 620.16



Las metas, los programas y laslíneas de acción del InstitutoNacional de Educación Tecnológica

Las acciones del Centro Nacionalde Educación Tecnológica

1 Los materiales

2 La estructura del átomo

3 Estructuras cristalinas y defectos• El enlace metálico

• El ordenamiento atómico

• Isotropía y anisotropía

• Defectos en las estructurascristalinas

• Difusión

4 Diagramas de fase

• Diagramas binarios de solubilidadtotal al estado sólido

Índice

Electrotécnico (Instituto Dr. Juan Segundo Fernández), Ingenier

mecánico (Universidad Tecnológica Nacional. Regional Buenos Aires)

Magíster en Ciencia y Tecnología de materiales (Instituto Jorge Sabato

Universidad Nacional de San Martín –USAM–. Comisión Nacional d

Energía Atómica –CNEA–); se desempeña como ingeniero de calidad

y producción en la industria metalmecánica y como docente universi

tario (UTN. Regional Buenos Aires).

Este libro

fue desarrolladopor:

• Diagramas binarios de solubilidadparcial al estado sólido

• Diagramas binarios de insolubili-

dad total al estado sólido• Diagramas binarios eutectoides

• Diagramas binarios peritécticos

• Diagramas binarios complejos

5 Ensayos de materiales

• Ensayo de tracción

• Ensayo de compresión

• Ensayo de flexión

• Ensayo de impacto o choque

• Ensayo de dureza

• Ensayo de fatiga

• Ensayo de termofluencia

• Ensayo de doblado o plegado

• Ensayo de embutido

• Ensayos no destructivos

Bibliografía

6

7

8

11

13

22

3

8

Diego Hernán Ruiz



El Instituto Nacional de Educación Tecnológica -INET-enmarca sus líneas de acción, programas y proyectos,en las metas de:

• Coordinar y promover programas nacionales yfederales orientados a fortalecer la educación téc-nico-profesional, articulados con los distintosniveles y ciclos del sistema educativo nacional.

• Implementar estrategias y acciones de coope-ración entre distintas entidades, instituciones yorganismos –gubernamentales y no gubernamen-tales-, que permitan el consenso en torno a laspolíticas, los lineamientos y el desarrollo de las

ofertas educativas, cuyos resultados sean conside-rados en el Consejo Nacional de Educación-Trabajo–CoNE-T– y en el Consejo Federal de Cultura yEducación.

• Desarrollar estrategias y acciones destinadas a vin-cular y a articular las áreas de educacióntécnico-profesional con los sectores del trabajo y laproducción, a escala local, regional e interregional.

• Diseñar y ejecutar un plan de asistencia técnica a las jurisdicciones en los aspectos institucionales,pedagógicos, organizativos y de gestión, relativos ala educación técnico-profesional, en el marco de los

acuerdos y resoluciones establecidos por el ConsejoFederal de Cultura y Educación.

• Diseñar y desarrollar un plan anual de capacitación,con modalidades presenciales, semipresenciales y adistancia, con sede en el Centro Nacional deEducación Tecnológica, y con nodos en los CentrosRegionales de Educación Tecnológica y las Unidadesde Cultura Tecnológica.

• Coordinar y promover programas de asistenciaeconómica e incentivos fiscales destinados a laactualización y el desarrollo de la educación técni-co-profesional; en particular, ejecutar las accionesrelativas a la adjudicación y el control de la asig-

nación del Crédito Fiscal –Ley Nº 22.317–.• Desarrollar mecanismos de cooperación interna-

cional y acciones relativas a diferentes procesos deintegración educativa; en particular, los relaciona-dos con los países del MERCOSUR, en lo referentea la educación técnico-profesional.

Estas metas se despliegan en distintos programas ylíneas de acción de responsabilidad de nuestra institu-ción, para el período 2003-2007:

María Rosa AlmandozDirectora Ejecutiv

del Instituto Nacional de Educación TecnológicaMinisterio de Educación, Ciencia y Tecnologí

LAS METAS, LOS PROGRAMASY LAS LÍNEAS DE ACCIÓNDEL INSTITUTO NACIONALDE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

Programa 1. Formación técnica, media y superior nouniversitaria:

1.1. Homologación y validez nacional de títulos.

1.2. Registro nacional de instituciones de formación técnica.

1.3. Espacios de concertación.

1.4. Perfiles profesionales y ofertas formativas.

1.5. Fortalecimiento de la gestión institucionalequipamiento de talleres y laboratorios.

1.6. Prácticas productivas profesionalizantes Aprender emprendiendo.

Programa 2. Crédito fiscal:

2.1. Difusión y asistencia técnica.

2.2. Aplicación del régimen.

2.3. Evaluación y auditoría.

Programa 3. Formación profesional para el desarrollolocal:

3.1. Articulación con las provincias.

3.2. Diseño curricular e institucional.

3.3. Información, evaluación y certificación.

Programa 4.Educación para el trabajo y la integraciónsocial.

Programa 5. Mejoramiento de la enseñanza y del aprendizaje de la Tecnología y de la Ciencia:

5.1. Formación continua.

5.2. Desarrollo de recursos didácticos.

Programa 6. Desarrollo de sistemas de información ycomunicaciones:

6.1. Desarrollo de sistemas y redes.6.2. Interactividad de centros.

Programa 7. Secretaría ejecutiva del Consejo Nacionade Educación Trabajo –CoNE-T–.

Programa 8. Cooperación internacional.

Los libros que, en esta ocasión, estamos acercando a lcomunidad educativa, se enmarcan en el Programa 5del INET; han sido elaborados por especialistas deCentro Nacional de Educación Tecnológica del INET ypor especialistas convocados a través del Programa d

las Naciones Unidas para el Desarrollo –PNUD– desdsu línea “Conocimientos científico-tecnológicos para edesarrollo de equipos e instrumentos”, a quienes estaDirección expresa su profundo reconocimiento por latarea encarada.



Desde el Centro Nacional de Educación Tecnológica–CeNET– encaramos el diseño, el desarrollo y la imple-

mentación de proyectos innovadores para la enseñanzay el aprendizaje en educación técnico-profesional.

El CeNET, así:

• Es un ámbito de desarrollo y evaluación demetodología didáctica, y de actualización de con-tenidos de la tecnología y de sus sustentoscientíficos.

• Capacita en el uso de tecnología a docentes, profe-sionales, técnicos, estudiantes y otras personas de lacomunidad.

• Brinda asistencia técnica a autoridades educativas

jurisdiccionales y a educadores.• Articula recursos asociativos, integrando a los

actores sociales involucrados con la EducaciónTecnológica.

Desde el CeNET venimos trabajando en distintas líneas deacción que convergen en el objetivo de reunir a profe-sores, a especialistas en Educación Tecnológica y arepresentantes de la industria y de la empresa, en accionescompartidas que permitan que la educación técnico-pro-fesional se desarrolle en la escuela de un modosistemático, enriquecedor, profundo... auténticamenteformativo, tanto para los alumnos como para los

docentes.

Una de nuestras líneas de acción es la de diseñar y llevaradelante un sistema de capacitación continua para profe-sores de educación técnico-profesional, implementandotrayectos de actualización. En el CeNET contamos conquince unidades de gestión de aprendizaje en las que sedesarrollan cursos, talleres, pasantías, conferencias,encuentros, destinados a cada educador que desee inte-grarse en ellos presencialmente o a distancia.

Otra de nuestras líneas de trabajo asume la respon-sabilidad de generar y participar en redes que vinculan

al Centro con organismos e instituciones educativosocupados en la educación técnico-profesional, y conorganismos, instituciones y empresas dedicados a latecnología en general. Entre estas redes, se encuentrala Red Huitral, que conecta a CeNET con los CentrosRegionales de Educación Tecnológica -CeRET- y conlas Unidades de Cultura Tecnológica –UCT– instaladosen todo el país.

También nos ocupa la tarea de producir materiales decapacitación docente. Desde CeNET hemos desarrolla-

Juan Manuel KirschenbaumDirector Nacion

del Centro Nacional de Educación TecnológicInstituto Nacional de Educación Tecnológic

LAS ACCIONESDEL CENTRO NACIONALDE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

do distintas series de publicaciones –todas elladisponibles en el espacio web www.inet.edu.ar–:

Educación Tecnológica, que abarca materiales quposibilitan una definición curricular del área de lTecnología en el ámbito escolar y que incluymarcos teóricos generales, de referencia, acercdel área en su conjunto y de sus contenidos, enfoques, procedimientos y estrategias didácticas má

generales.

• Desarrollo de contenidos, nuestra segunda serie dpublicaciones, que nuclea fascículos de capactación en los que se profundiza en los campos dproblemas y de contenidos de las distintas áreadel conocimiento tecnológico, y que recopilatambién, experiencias de capacitación docentdesarrolladas en cada una de estas áreas.

• Educación con tecnologías, que propicia el uso dtecnologías de la información y de la comunicación como recursos didácticos, en las clase

de todas las áreas y espacios curriculares.• Educadores en Tecnología, serie de publicacione

que focaliza el análisis y las propuestas en unde los constituyentes del proceso didáctico: eprofesional que enseña Tecnología, ahondanden los rasgos de su formación, de sus prácticasde sus procesos de capacitación, de su vinculación con los lineamientos curriculares y colas políticas educativas, de interactividad cosus alumnos, y con sus propios saberes y modode hacer.

• Documentos de la escuela técnica, que difund

los marcos normativos y curriculares que desdel CONET –Consejo Nacional de EducacióTécnica- delinearon la educación técnica dnuestro país, entre 1959 y 1995.

• Ciencias para la Educación Tecnológica, que presentcontenidos científicos asociados con los distintocampos de la tecnología, los que aportan marcoconceptuales que permiten explicar y fundamentalos problemas de nuestra área.

• Recursos didácticos, que presenta contenidos tecnológicos y científicos, estrategias –curriculares

didácticas y referidas a procedimientos de construcción– que permiten al profesor de leducación técnico-profesional desarrollar, con sualumnos, un equipamiento específico para integrar en sus clases.



Antes de comenzar con el estudio de losmetales en particular, le proponemos clasifi-car los materiales disponibles para elhombre. Una clasificación muy común resul-ta la de dividir a los materiales en:

• Materiales metálicos.• Materiales cerámicos.• Materiales poliméricos.• Materiales compuestos.• Materiales semiconductores.

Haremos a continuación una breve descrip-ción de cada grupo.

Los materiales metálicos, tales como hierro,aluminio, titanio y cobre, entre otros, pue-den utilizarse puros o, más generalmente,aleados (aceros, bronces, latones) lo quemejora una o varias propiedades deseablesen el uso. La alta conductividad térmica yeléctrica es una característica de los meta-les. Su resistencia tiene un amplio rango;puede ser pequeña –como en el caso delplomo– o muy alta–como en el casode aceros de altar e s i s t e n c i a – .Muchos materia-les metálicos sondúctiles, lo que

significa que pueden tener grandes deformaciones antes de llegar a la rotura. Laductilidad es una propiedad útil –por ejemplo, en la fabricación de piletas de cocina opartes de carrocería de automóviles–.

Dentro de los materiales cerámicos, seencuentran los vidrios, la porcelana, losabrasivos, los refractarios, los cementos, lacerámica roja (ladrillos, tejas) y la cerámicablanca (vajilla, revestimientos, sanitarios)Estos materiales tienen altas resistencias yaltas temperaturas de fusión. Las conductividades térmica y eléctrica son bajas. La

fragilidad es el principal inconveniente delos materiales cerámicos. Algunos ejemplosde materiales cerámicos son la alúmina(Al2O3), el carburo de silicio (SiC), el nitruro de silicio (Si3N4) y la sílice (SiO2)Importantes aplicaciones de este grupo sonlos aisladores, capacitores, sensores, detectores, herramientas de corte y pulido, yporcelanas dentales.

Los materiales poliméricos, también denominados plásticos debido a su gran facilidad demoldeo, se caracterizan porque, en generaltienen baja conductividad térmica y eléctricaSu resistencia y su temperatura de fusión sonbajas, lo que implica que no pueden aplicarse a componentes que trabajen a alta

8

El objetivo del presente módulo, es caracterizar los materiales metálicos

disponibles para aplicaciones industriales. Porque, el conocimiento de estas carac-terísticas es de fundamental importancia para realizar su correcta selección y uso

LOS MATERIALES1.

Definimos con precisión

estos conceptos clave

en el título “Ensayos de

materiales”.



temperatura. Los polímeros están constitui-dos por moléculas largas, las que se forman apartir de la unión de moléculas orgánicasindividuales. Existen tres categorías demateriales poliméricos: termoplásticos, ter-morrígidos y elastómeros; algunos ejemplos

de termoplásticos son el polipropileno, elpolietileno, el cloruro de polivinilo (PVC), elpoliestireno, el acrilonitrilo –butadieno– esti-reno (ABS), las resinas acetáIicas y laspoliamidas (nylon); ejemplos de termorrígi-dos son las resinas fenólicas, las resinas epoxi,el poliéster y las aminorresinas (resinas urea-formaldehído). Entre los elastómeros seencuentran el poliisopreno, el polibutadieno,

el butadieno-estireno (caucho SBR), las silico-nas y el policloropreno (neopreno).

Se denominan materiales compuestos a launión de dos o más materiales con la finali-dad de obtener propiedades superiores a lasde los materiales individuales de origen.Existen materiales compuestos naturales y,también, artificiales; entre los primeros se

destacan la madera, formada a partir de fibras

de celulosa y matriz de lignina; entre losegundos tenemos a los plásticos (que son lmatriz) reforzados con fibra de vidrio o cofibra de carbono. Los materiales compuestotienen aplicaciones en la industria automotriz, aeronáutica, naval y en muchas otras.

Los materiales semiconductores se destacan por tener una conductividad eléctricintermedia. Es decir, que no son buenoconductores ni buenos aisladores. El silicio (Si) y el germanio (Ge) son loelementos semiconductores más usuales ycomo tales, se encuentran en la tablperiódica en el límite entre los elemento

metálicos y los no metálicos. Controlandlas impurezas en estos elementos, puedenvariarse sus propiedades de conduccióneléctrica. Estos materiales tienen graimportancia en la industria electrónicmoderna, en la fabricación de componentes electrónicos como diodos, transistorey circuitos integrados. Además, existencompuestos semiconductores, como po

ejemplo, el arseniuro de galio (GaAs).

Respecto de esta primera clasificación de

los materiales, le sugerimos estos interro-

gantes, para discutir en clase con sus

alumnos:

• ¿De qué material se construían,

alrededor de 1970, los blocks de motor

de automóviles? ¿De qué material se

construyen, actualmente? Expliquemos

los principales motivos del cambio.

• ¿Con qué material se construían en los

’70 los paragolpes de los automóviles?

¿De qué material se construyen,

actualmente? Expliquemos los motivos

del cambio.

• ¿Con qué material se construye la

estructura de los aviones (fuselaje,

alas, etc.)? ¿Por qué no se usa

acero?

Actividades para el aula 1



0

• ¿Qué ventajas tiene el aluminio

sobre el acero en la fabricación de

marcos de puertas y ventanas que son

utilizados en ambientes externos?

¿Cuál es el costo de ambos materiales?

• Los materiales de los neumáticos de

automóviles, ¿son materiales com-

puestos? ¿Por qué?

• Los revestimientos (vainas) de conduc-

tores eléctricos, deben ser aislantes

eléctricos y se construyen con mate-

riales poliméricos. Los materiales

cerámicos también son aislantes y, sin

embargo, no se usan para aislar los

conductores. ¿Por qué?

• Hagamos una lista de cinco productos

construidos con materiales com-

puestos.

• Antiguamente, los tapones de las

bebidas eran de corcho; hoy, la ten-

dencia es ir reemplazándolos por

plástico. ¿Por qué?



Es importante conocer la estructura atómica,a fin de comprender la descripción de losdistintos tipos de enlace atómico existentesen los materiales.

Quien, después de numerosas investigacio-nes, propone un modelo de átomo es ErnestRutherford. Más tarde, este modelo es modi-ficado por Niels Bohr. El modelo atómico

resultante, conocido como modelo deRutherford- Bohr, considera al átomo forma-do por un núcleo central, que es muypequeño en relación con el tamaño total delátomo pero que concentra casi toda su masa.

Dentro del núcleo se encuentran los proto-nes, que son partículas cargadaspositivamente y cuya masa es muy pequeña.

En el interior del núcleo también se hallanlos neutrones, partículas sin carga eléctrica ycuya masa es, aproximadamente, igual a ladel protón. Cada protón o neutrón tiene unamasa aproximada de 1.66-24 gramos.

A gran distancia del núcleo, giran en órbitalos electrones, que tienen carga negativa.

El número de electrones es igual al númerde protones, de tal forma que el átomo, en suconjunto, es eléctricamente neutro.

La masa del electrón es, aproximadamente1840 veces más pequeña que la masa de

protón.

En el modelo de Rutherford-Bohr, cada capu órbita en la que giran los electrones, tiensu determinado nivel de energía; por estmotivo, cada órbita también se llama nivel denergía. Cada nivel de energía se designa pola letra n (n se llama, también, número cuántico principal). Así, tenemos n = 1, 2, 3... A

cada capa n se le asigna una letra mayúsculasegún la siguiente clave:

Los electrones giran alrededor del núcleúnicamente en los niveles de energía mencionados, ya que no existen niveleenergéticos intermedios.

Una característica de los elementos de ltabla periódica es su número atómico. Dichcantidad se define como el número de protones en el núcleo. Como el número dprotones coincide con el número de electrones, se verifica:

LA ESTRUCTURA DEL ÁTOMO2.

Estructura atómica del carbono

Valor de n 1 2 3 ...

Letra K L M ...



Número atómico = Número de protones = Número de electrones

Por otra parte, la masa atómica –también lla-mada peso atómico– se define como:

Masa atómica = Número de protones + Número de neutrones

La masa atómica de un elemento, es la masade un mol de átomos de ese elemento; o sea,la masa de 6,0223 átomos de ese elemento.

Por otra parte, todo átomo al cual le sobran ofaltan electrones, se denomina ión. Un iónnegativo (por tener electrones en exceso) se

llama anión; un ión positivo (por tener defec-to de electrones) se llama catión.

2

Sus alumnos pueden preguntarse por qué esimportante conocer la estructura del átomo.

La respuesta es que la estructura atómicadetermina cómo los átomos de los distintoselementos de la tabla periódica se pueden unir

entre sí. Y, los distintos tipos de uniones per-miten clasificar a los materiales en grupos(metales, polímeros, cerámicos, semiconduc-

tores); además, el conocimiento de la forma enque se unen los átomos posibilita comprenderlas propiedades de los distintos grupos demateriales.

Esta capacitación trata sobre materialesmetálicos y, por lo tanto, estudiamos la uniónmetálica, en particular.



Los metales tienden a ceder fácilmente elec-trones; es decir, tienden a formar ionespositivos. En otras palabras: Los metales sonelectropositivos.

En el estado sólido, los metales ceden suselectrones de valencia, los cuales pasan a for-

mar una nube de electrones. La estructuraresultante consiste en cuerpos centrales ató-micos cargados positivamente (ionespositivos) que oscilan alrededor de posicio-nes fijas, rodeados de una nube electrónica.

En resumen, podemos imaginar a la uniónmetálica como una red de iones positivos(formados por los núcleos atómicos y los

electrones que se mantienen unidos a él)entre los cuales circulan electrones libres o devalencia. La nube electrónica (cargada nega-tivamente) actúa como material ligante y, así,se mantiene la estructura.

La libertad de movimiento de los electronesque forman la nube electrónica permite

explicar la buena conductibilidad eléctrica dlos metales. Cuando se aplica una tensióneléctrica a un metal, la nube electrónicpuede moverse fácilmente y, de este modo, sconduce la corriente eléctrica.

El enlace metálico es característico de lomateriales del mismo tipo. Sin embargo existen, por ejemplo, ciertos compuestoformados a partir de dos o más metales, denominados compuestos intermetálicos, questán enlazados a través de enlaces metálicos

iónicos

1

en forma conjunta. En otras palabrasExisten materiales metálicos que están formados a partir de enlaces mixtos. Sin embargovamos a considerar como hipótesis de trabajque los materiales metálicos están ligados únicamente a través de enlaces metálicos.

ESTRUCTURAS CRISTALINAS Y DEFECTOS3.

El enlace metálico

El enlace metálico

Conductividad eléctrica

1 Iremos explicándole los otros tipos de enlace en los próxmos materiales de capacitación de esta serie.



En los materiales metálicos en estado sólido,los átomos se ordenan según distintos tiposde arreglos; los átomos presentan un ordena-miento espacial regular y repetido,

ubicándose en los puntos (también llamadosnodos) de una red. El ordenamiento regulary repetido se denomina estructura cristalina.

A cada punto de esa red le corresponden unoo varios átomos, dependiendo de la comple-

jidad del material.

Existen 14 tipos de celdas unitarias, queconstituyen 7 sistemas cristalinos. Las celdasunitarias, al constituir la menor subdivisión

de una estructura cristalina, conservan lascaracterísticas generales de toda la red.

Por simple traslación de la celda unitaria, puedeconstruirse el sólido cristalino completo.

4

El ordenamiento atómico



En una celda unitaria, se denominan parámetros de red a las longitudes de las aristas y a loángulos entre aristas.

Características de los sistemas cristalinosSistema cristalino

CúbicoTetragonal

Ortorrómbico

Hexagonal

Romboédrico

Monoclínico

Triclínico

Longitud de aristas

L1 = L2 = L3

L1 = L2 ≠ L3

L1 ≠ L2 ≠ L3

L1 = L2 ≠ L3

L1 = L2 = L3

L1 ≠ L2 ≠ L3

L1 ≠ L2 ≠ L3

Ángulos entre aristas

α1 = α2 = α3 = 90ºα1 = α2 = α3 = 90º

α1 = α2 = α3 = 90º

α1 = α2 = 90º ; α3 = 120º

α1 = α2 = α3 ≠90º

α1 = α2 = 90º ; α3 ≠ 90º

α1 ≠ α2 ≠ α3 ≠ 90º

Es interesante que sus alumnos, en

pequeños grupos:

• Elijan un metal de la tabla periódica yconstruyan, mediante esferas de

madera y conectores, la celda unitaria

correspondiente.

• Investiguen los procesos de obtención

del metal elegido, sus principales

características físicas y mecánicas, y,

también, sus aplicaciones más importantes. Le recomendamos que

incentive la investigación bibliográfica

y no sólo a través de Internet; esta últi-

ma debe ser una herramienta más de

búsqueda, pero no la única.




Las estructuras cristalinas reales no son perfectas sino que contienen defectos, los cuales ejercen gran influencia en el comportamiento de los materiales.

Observando cada celda unitaria, vemos quela disposición de los átomos varía según lasdistintas direcciones. Esto genera que unacelda unitaria tenga diferentes propiedades

mecánicas en distintas direcciones.

Esta variación en la disposición atómica enfunción de la dirección, origina los conceptosde isotropía y anisotropía.

• Un material es isotrópico cuando suspropiedades son iguales en todas lasdirecciones.

• Un material es anisotrópico cuando laspropiedades varían según la dirección.

Como ejemplo, diremos que de acuerdo a loexplicado más arriba, se deduce que una

celda unitaria es anisotrópica; pero, si consideramos muchas celdas unitarias unidas enforma azarosa, el conjunto se comporta isotrópicamente.

Otro ejemplo de anisotropía son los meta-les laminados. En ellos, los cristales sealargan en la dirección de laminaciónresulta así un material anisotrópico, ya quelas propiedades mecánicas no son igualesen dirección paralela y perpendicular a lade laminación.

La madera es otro ejemplo de material anisotrópico; se comprueba fácilmente que laresistencia mecánica en dirección paralela alas fibras es mayor que en dirección perpendicular a éstas.

6

Isotropía y anisotropía

Defectos en las estructuras cristalinas



Los defectos puntuales son:

Vacancia. Falta de un átomo en un sitio de lared que debería estar ocupado.

Intersticial. Existe un átomo en un sitio de lared, que debería estar vacío.

Como ejemplo, diremos que, en los aceros, elcarbono entra en forma intersticial en la redcristalina del hierro.

Sustitucional. Un átomo de un elementoocupa un sitio de la red que debería estarocupado por un átomo de otro elemento.

Defecto Frenkel. Es un defecto formadoconjuntamente, por una vacancia y por unintersticial. Un ión se moviliza a un lugaintersticial, quedando una vacancia en esitio original.

Defecto Schottky. Está formado por un pa

de vacancias de iones de carga opuesta. Estdefecto es propio de materiales cerámicos.

Los defectos puntuales modifican la estructurcristalina circundante, generando obstáculopara el movimiento de dislocaciones; de estforma, los defectos puntuales aumentan lresistencia del metal.

Las vacancias, los átomos intersticiales sustitucionales intervienen en los procesodifusivos en metales; a su vez, los procesodifusivos tienen muchísimas aplicacioneprácticas, como vamos a ir presentandmás adelante.

Consideremos, ahora, un segundo grupo, ede los defectos lineales.



Dislocación de borde. Se genera debido a laexistencia de un semiplano adicional de áto-mos. La línea inferior del semiplano agregado,es la dislocación de borde. El cristal está defor-mado en la zona cercana a la dislocación.

Dislocación de tornillo. Si en un cristal per-fecto efectuamos un corte parcial ydesplazamos una porción del cristal respectode la otra, se obtiene una dislocación de tor-nillo. Así, se forma una rampa en forma dehélice; la dislocación es el eje x.

Dislocación mixta. Es una combinación de ladislocación de borde y la de tornillo.

Identifiquemos, ahora, defectos superficiales.

Superf icie del material. Las superficies exterio-res son zonas en donde el ordenamiento

atómico está modificado. La superficie contieneademás, pequeñas fisuras y puede ser atacadamás fácilmente por elementos reactivos.

Bordes de grano. Definimos como grano auna parte del material que tiene celdas unita

rias con la misma orientación. El defectoconocido como “borde de grano” es la superficie que limita los distintos granos. En losbordes de grano, no se conservan los parámetros de red correspondientes y, por lotanto, constituye una zona de desorden.

El tamaño de los granos influye en la resisten-cia del material; A menor tamaño de grano, ematerial es más resistente; esto se debe a quelos límites de grano son obstáculos para emovimiento de las dislocaciones. Con granospequeños, las dislocaciones pueden moversepoca distancia antes de alcanzar el borde degrano y la resistencia del material aumenta.

Apilamiento. Se genera debido a un maordenamiento de los planos atómicos. Poejemplo, una estructura cúbica centrada enlas caras, se obtiene mediante el apilamiento

ABCABCABC de esferas; pero, puede sucederel apilamiento ABCAC ABCABC, en el quaparece un plano C donde debería existir unplano B; esto es un defecto de apilamiento.

8



Macla. Es un sector, dentro de un grano quetiene una orientación levemente diferenterespecto del grano mismo. Las maclas pue-den formarse durante el crecimiento delcristal; pero, también pueden aparecer pordeformación o por tratamientos térmicos.

En tecnología de los materiales resulta impres-cindible considerar las consecuencias de laexistencia de defectos; porque éstos, ya seanpuntuales, lineales o superficiales, alteran elordenamiento en la estructura cristalina.

Las dislocaciones se crean al iniciarse la for-

mación del cristal (durante la solidificación)y, también, se generan a través de las defor-maciones permanentes o plásticas, aplicadasen el trabajado mecánico. El estudio com-pleto de las dislocaciones es complejo peroimprescindible; porque, muchas de las pro-piedades mecánicas de los materiales –comoson los módulos elásticos, las deformacionesplásticas, el endurecimiento con elementosaleantes y tratamientos térmicos, y las pro-piedades de endurecimiento por trabajado–dependen del movimiento de dislocaciones,de la interacción entre dislocaciones, y de lainteracción entre dislocaciones con losdefectos puntuales y superficiales. Por otraparte, los defectos puntuales, lineales ysuperficiales, dificultan la movilidad de los

electrones y, por tanto, aumentan la resistencia eléctrica del metal.

Los cristales serían mucho más resistentes sno existieran las dislocaciones. Al deformaun material, las dislocaciones se mueven

Entonces, todo aquello que impide el movimiento de las dislocaciones, contribuye aumentar la resistencia del material.

Surgen, entonces, distintas posibilidades paraumentar la resistencia de los materiales.

Maclas en granos metálicos Movimiento de una dislocación de borde

Movimiento de una dislocación de tornillo

Aumento en la

resistencia demateriales

Endurecimiento

por tamaño de grano

Endurecimiento

por solución sólida

Endurecimiento por trabajado

mecánico o deformación en frío



Endurecimiento por tamaño de grano. Losbordes de grano son obstáculos para elmovimiento de dislocaciones, ya que sonzonas que presentan desorden en laestructura. Por consiguiente, como men-cionábamos, al reducir el tamaño de grano

de un material, se incrementa la resisten-cia de éste.

Endurecimiento por solución sólida. Losátomos extraños (intersticiales o sustitucio-nales) son obstáculos para el movimiento de

las dislocaciones. Ésta es la base conceptuadel endurecimiento por solución sólida.

Endurecimiento por trabajado mecánico odeformación en frío. Las deformaciones en fríogeneran dislocaciones; luego de una deforma

ción en frío, el número de dislocaciones haaumentado. Una característica del trabajo enfrío, es que el metal se hace más difícil de deformar (y más frágil) a medida que progresa ladeformación; la razón es que una dislocaciónobstaculiza el movimiento de otra dislocación.

0

Los metales pueden trabajarse en caliente oen frío. Le proponemos analizar las siguien-

tes cuestiones con su grupo de alumnos:

• Se logra una pieza con mejor precisión

dimensional, ¿trabajando en frío o en

caliente? ¿Por qué?

• Queda más tensionado y frágil un metal

trabajado, ¿en frío o en caliente? ¿Por qué?

• La terminación superficial es mejor,¿trabajando en frío o en caliente?

¿Por qué?

• ¿Cuándo se requiere mayor energía

mecánica para deformar un metal?

¿Trabajando en frío o en caliente?

¿Por qué?


La difusión es una herramienta para la inves-tigación de la estructura de los metales y losdefectos de estructuras cristalinas, entre otrascosas. Veamos de qué se trata...

Si llenamos con cuidado un recipientecon dos líquidos miscibles de diferentedensidad, vamos a observar que la super-ficie de separación –nítida, al comienzo

del experimento– desaparece con el pasodel tiempo. Finalmente, todo el líquidoes homogéneo.

Este fenómeno tiene lugar, aún cuando noexista agitación; es muy lento, se denomina difusión y consiste en que el sistematiende a nivelar las concentraciones enforma espontánea.

Difusión



En forma genérica, se denomina difusión alproceso de nivelación exacto de la concen-tración (En forma rigurosa, esto no es exacto,ya que la verdadera razón que origina elmovimiento de las partículas durante la difu-sión no es la diferencia de concentraciones

sino la diferencia de potenciales químicos).

La difusión también ocurre en los cuerpossólidos; pero, es más lenta que en los líqui-dos y más aún que en los gases.

La difusión es un proceso que se realiza graciasal desplazamiento a escala atómica de diferen-tes partículas, como ser moléculas, iones y

átomos; es muy común en materiales sólidos,ya que se produce en metales puros, aleaciones,óxidos, compuestos intermetálicos, dieléctricosy semiconductores, desempeñando un papelimportante en las transformaciones de fase, enla generación de soluciones sólidas y en la aglu-tinación de materiales en polvo.

El primer experimento científico para estu-

diar la difusión en un cuerpo sólido esrealizado en 1896 por el metalurgista inglésRobert Austen: Soldó un disco fino de oro aun cilindro de plomo y colocó ese “par difu-sivo”, en un horno a 200 ºC durante 10 días.Finalmente, observó que el oro y el plomo seinterpenetraban mutuamente.

En el mecanismo de intercambio simple, doátomos vecinos intercambian sus lugares; lprobabilidad de que ocurra este proceso erelativamente pequeña.

En el mecanismo de intercambio cíclico, u

conjunto de átomos se traslada, intercambiando posiciones entre sí.

En el mecanismo de vacancias, un átomdeja su sitio y pasa a ocupar la posición duna vacancia.

En el mecanismo intersticial simple, unátomo pasa de un sitio intersticial a otro siti

intersticial vecino.

En el mecanismo intersticial de desplazamientoun átomo intersticial desplaza a un átomo de unnodo de la red cristalina y ocupa su sitio; eátomo desplazado del nodo, pasa a ocupar unsitio intersticial y echa al vecino siguiente, y assucesivamente; en el intersticio siempre sencuentra un nuevo átomo.

El craudión es un conjunto compactado dátomos, debido a la existencia de un átomde más en la fila. El mecanismo de difusióncraudiónico, se basa en que cada átomo sdesplaza un poco, a la vez que se traslada econjunto completo.

1. Mecanismo de intercambio simple.

2. Mecanismo de intercambio cíclico.

3. Mecanismo de vacancias.

4. Mecanismo intersticial simple.

5. Mecanismo intersticial de desplazamiento.

6. Mecanismo craudiónico.

Mecanismos de difusión

Fuente: Bokshtein, B.S. Difusión de metales.

Hyspamerica. Barcelona



Comencemos con algunas definicionesimportantes.

Fase. Porción homogénea del material. Losdiferentes granos de una misma fase tienenigual estructura cristalina y composición quí-mica; pero, difieren en la orientacióncristalográfica. Las distintas fases puedensepararse entre sí.

Componentes. Distintos elementos que for-man la fase. Los elementos de la tablaperiódica (hierro, níquel, etc.) son compo-nentes; pero, también lo son los compuestos

con estequiometrías definidas como los óxidos, sales o compuestos intermetálicos.

Diagramas de fase. Gráficos (trazadosexperimentalmente, en laboratorio) quemuestran las distintas fases existentes enun sistema. Estos diagramas se trazan encondiciones de equilibrio; por lo tantoson válidos cuando el sistema estudiado

está en equilibrio. Equilibrio significa quelos enfriamientos son muy lentos y quepor lo tanto, los átomos tienen tiemposuficiente para acomodarse en los sitios demenor energía.

Los diagramas de fase se clasifican sobre labase del número de componentes; tenemos, entonces: diagramas unitarios (un

componente), diagramas binarios (doscomponentes), diagramas ternarios (trescomponentes) y, así, sucesivamente.

Vamos a centrar nuestro estudio solamente a diagramas binarios, los que nosindican las fases presentes en el sistema(en equilibrio), en función de la temperatura y de la composición.

El trazado de diagramas de fase se facili-ta mediante ciertas reglas. Entre ellasprofundizaremos en la Regla de las fasesde Gibbs que enuncia que: El máximonúmero de fases P que puede coexistiren una aleación o sistema químico, másel número de grados de libertad F, es

2

DIAGRAMAS DE FASE4.

Granos de zinc (una fase)

Ferrita y perlita (2 fases)



igual a la cantidad de componentes Cdel sistema más 2.

Es decir que:

P + F = C + 2

Los grados de libertad F son las variablesindependientes que se pueden controlar: latemperatura, la presión y la composición.

Sin embargo, como en la mayoría de loscasos se trabaja a presión atmosférica, la can-

tidad de grados de libertad del sistema sondos: temperatura y composición. Con estaúltima consideración, la regla de las fasespuede reescribirse como:

P + F = C + 1

A modo de ejemplo, vamos a aplicar la expre-sión anterior a un metal puro. Si queremosconocer en qué condiciones coexisten las faseslíquida y sólida de dicho metal, tenemos:

• P = 2 (Ya que son dos fases, líquida y sólida).

• C = 1 (Hay un solo componente, que es el

metal en estudio).

Resulta que F = C + 1 – P; y, reemplazando

valores tenemos: F = 1 + 1 - 2; F = 0.

Como F = 0, significa que no tenemos gradode libertad y que, en consecuencia, no podemos “elegir” la temperatura de coexistencide las fases líquida y sólida del materia

metálico estudiado (Recordemos que el otrgrado de libertad, la composición, ya ladoptamos, dado que elegimos un metapuro para el estudio).

Consideremos, entonces, los diagramas dfase binarios.

Hay diversos tipos de diagramas binarios sim

ples. Vamos a estudiar los más usuales, que son

1. Diagramas binarios de solubilidad totaal estado sólido.

2. Diagramas binarios de solubilidaparcial al estado sólido.

3. Diagramas binarios de insolubilidatotal al estado sólido.

4. Diagramas binarios eutectoides.

5. Diagramas binarios peritécticos.6. Diagramas binarios complejos.

A través del estudio de diagramas binarios simples, podremos encarar posteriormente el estudide diagramas binarios más complejos. Un caso dgran importancia práctica es el diagrama binarihierro-carbono, mediante el cual podremos estudiar y comprender los aceros y fundicionesmateriales metálicos de vital importancia.

Al igual que las soluciones líquidas, talescomo un té azucarado, existen solucionesmetálicas al estado sólido. El metal que

está en mayor proporción, se denominsolvente y el que está en menor proporción se llama soluto.

1. Diagramas binarios de solubilidad total al estado sólido



Hay dos tipos de soluciones sólidas:

• sustitucionales,• intersticiales.

En una solución sólida sustitucional, los áto-

mos de soluto reemplazan a los de solvente;estas soluciones se forman entre átomos quetienen un tamaño similar.

En una solución sólida intersticial, los áto-mos de soluto ocupan sitios intersticiales enla red del solvente; estas soluciones se for-

man entre metales que tienen un tamaño deátomo bastante diferente.

Como en todo diagrama de fases binario, en eleje vertical se representan temperaturas y, en eleje horizontal, se indican composiciones.

El eje vertical izquierdo representa el diagrama de fases para el metal A purosiendo Ta la temperatura de fusión demetal A. Por encima de Ta, el metal A estáen estado líquido; por debajo de Ta, dichometal está en estado sólido.

El eje vertical derecho representa el diagrama de fases para el metal B puro. Tb ela temperatura de fusión.

Hay dos curvas importantes, denominadas líquidus y solidus. Por encima de la curva líquidus, esistema (cualquiera sea su composición) estará

4

Solución sólida sustitucional

Solución sólida intersticial Diagramas de solubilidad sólida total



La Regla de la palanca, aplicable a todocampo de dos fases, permite determinar lascantidades relativas de las fases que coexisten

a una cierta temperatura. No expondremos ladeducción, sino que mostraremos su aplica-

ción mediante un ejemplo: Si en una aleaciónde composición inicial Ci, queremos determinar las cantidades relativas de líquido

sólido a la temperatura de interés T1, procedemos del siguiente modo:

en estado líquido. Por debajo de la curva solidus,el sistema (cualquiera sea su composición) esta-rá en estado sólido. Entre las curvas liquidus ysolidus, el sistema estará formado por una mez-cla de fases líquida y sólida.

La intersección de una isoterma T1 con las curvaliquidus y solidus, nos indica la composición delíquido CL(T1) y del sólido CS(T1), los cualeestán en equilibrio a la temperatura mencionadaLa línea horizontal se denomina línea de unión.

Composición en equilibrio de un sólido y un líquido

Regla de la palanca



En este tipo de sistemas, los dos metales A yB son solubles al estado sólido solamentepara ciertas composiciones. La solubilidadexiste en las zonas cercanas a los respectivosejes verticales; las soluciones sólidas sondenominadas α y β.

• La solución sólida a tiene la estructu-ra cristalina del metal A (solvente) en

la cual hay disueltos átomos del metaB (soluto).

• La solución sólida β tiene la estructuracristalina del metal B (solvente) en la cuahay disueltos átomos del metal A (soluto)

Por otra parte, en la zona central del diagrama coexisten las fases α y β.

Estos sistemas binarios tienen la forma:

Se traza una línea de unión a la temperaturaT1, que corta a las curvas liquidus y solidus,

obteniéndose los puntos A y C. La aplicaciónde la regla de la palanca, indica que:

Así, por simple medición de la longitudde los segmentos en cuestión, determi-

namos los porcentajes de fase sólida ylíquida.

6

Porcentaje de fase sólida = (AB / AC) . 100Porcentaje de fase líquida = (BC / AC) . 100

2. Diagramas binarios de solubilidad parcial al estado sólido



• La curva liquidus está dada por los puntosTa. E . Tb.

• La curva solidus está dada por los puntosTa. C . E . D . Tb.

• Las curvas CF y DG se denominan solvus.

En los diagramas con solubilidad parcial alestado sólido, existe un punto característi-co, denominado punto eutéctico (E). Elpunto eutéctico se caracteriza por teneruna composición definida (composicióneutéctica) y una temperatura de fusióndefinida al igual que los metales puros(temperatura eutéctica).

Una aleación cuya composición es menor a leutéctica, se denomina hipoeutéctica; si lcomposición es mayor a la eutéctica, la aleación es hipereutéctica.

Cuando un líquido de composición eutéctic

solidifica, se forman dos fases sólidas α y β

En este caso, no existe ninguna solución aestado sólido. Por lo tanto, los dos metales Ay B solidifican en forma separada, encontrán-dose capas puras del metal A y capas purasdel metal B en forma alternada.

La curva liquidus está determinada por lopuntos Ta . E . Tb; mientras que la curvsolidus está determinada por los puntoC.E.D. Nuevamente, el eutéctico corresponde al punto E.

Estos sistemas binarios tienen la forma:

3. Diagramas binarios de insolubilidad total al estado sólido



8

En una transformación eutectoide, una fasesólida γ que se enfría, se transforma en dosfases sólidas α y β; y, durante el calentamien-to, la reacción es la inversa.

La reacción eutectoide puede escribirse:

Los diagramas binarios eutectoides, se caracterizan por tener un punto denominado eutectoide (punto E)

4. Diagramas binarios eutectoides

El siguiente es un diagrama binario con una transformación peritéctica:5. Diagramas binarios peritécticos



La reacción peritéctica (punto P), resulta así:

Resultan de la combinación de algunos de los diagramas simples ya explicadosEl siguiente es un ejemplo.

6. Diagramas binarios complejos


A partir del diagrama, sus

alumnos pueden:

• Determinar la tempe-

ratura de fusión de los

metales puros.

• Determinar, para una

aleación de 50 % de

zinc y 200 ºC, cuáles

son las fases pre-sentes, su composición

y la cantidad porcen-

tual de cada fase.

• Repetir el punto ante-

rior para una aleación

de 70 % de zinc y 400 ºC.

Porcentaje en peso de zinc



Una clasificación muy común para los ensa-yos, es dividirlos en ensayos científicos yensayos de control-verificación.

Los ensayos científicos deben realizarsecon absoluto cuidado y precisión, a fin deobtener los valores más exactos posibles depropiedades desconocidas del material.Los valores obtenidos de los ensayos cien-tíficos suelen ser usados en diversasaplicaciones tecnológicas.

Los ensayos de control-verif icación se utili-zan para determinar si una determinadamuestra extraída de un lote, cumple con los

requisitos esperados por los diseñadores opor las especificaciones de compras.

Una segunda clasificación considera ensayos

de campo y ensayos de laboratorio.

Los ensayos de campo se efectúan a aquellos componentes que no pueden sertrasladados al laboratorio; por ejemplograndes estructuras metálicas o civiles, cal-deras, puentes, etc. Debido a lasdificultades en las condiciones de trabajolos ensayos de campo son, en general

menos precisos que los ensayos de laboratorio. Sin embargo, se debe mencionar quehay ensayos que, por su simpleza, puedenrealizarse con igual precisión tanto encampo como en laboratorio.

Una tercera clasificación se produce al dividia los ensayos en destructivos y no destructivos. En los ensayos destructivos, el materiase destruye durante el ensayo y, por lo tantono puede ser usado posteriormente. En losensayos no destructivos, el material no sedestruye durante el ensayo y, entoncespuede ser utilizado posteriormente.

Todos estos ensayos están normalizados. Lasnormas son de vital importancia para realiza

0

Los ensayos tienen como objetivo determinar las propiedades de los materia-

les. Los ensayos de materiales se aplican a materiales metálicos; perotambién, por supuesto, a las otras categorías de materiales (polímeros, cerá-

micos, etc.).

ENSAYOS DE MATERIALES5.



los ensayos, ya que establecen los procedi-mientos para su realización. Algunas de lasventajas que brinda el empleo de normas,son las siguientes:

• Permiten comparar resultados de ensa-

yos obtenidos en diferentes laboratorios.• Evitan confusiones y malos entendidos.• Simplifican la preparación de especifi-

caciones técnicas.• Permiten la obtención de productos

más uniformes.• Brindan confianza a los usuarios.• Reducen costos.

Las normas de uso más habitual en la indus-tria son:

• IR AM: Instituto Argentino deNormalización.

• ISO: International Organization forStandardization.

• ASTM: American Society for Testing andMaterials.

• BSI: British Standards Institution.• ANSI: American National StandardsInstitute.

• DIN: Deutsches Institut Für Normung.

Algunos conceptos clave

Elasticidad. Un material está en el período elás- tico cuando, al quitar las cargas actuantes, lasdeformaciones desaparecen totalmente y el

material recobra sus dimensiones originales.

Plasticidad. Un material está en el períodoplástico cuando, al quitar las cargas actuan-

tes, queda con cierta deformación permanentey, por lo tanto, no recobra sus dimensionesoriginales.

Ductilidad. Un material es dúctil cuando sufregran deformación antes de llegar a la rotura.

Fragilidad. Un material es frágil cuando sufre nulao mínima deformación antes de llegar a la rotura.

Maleabilidad. Un material es maleable cuandopuede ser reducido a hojas o láminas del-gadas, mediante la acción de un martillo, deuna prensa hidráulica o de un laminador.

Tenacidad. Un material es tenaz cuando serequiere gran energía para que llegue a la rotura.

Dureza. Resistencia que ofrece un material, aser rayado o penetrado por otro.


Se sugiere que los alumnos formen grupos y se contacten con IRAM. Cada grupopodrá acceder a la norma correspondiente a un ensayo particular (tracción, dureza,

etc.), la analizará y realizará una exposición en clase.



El ensayo de tracción es el más utilizado detodos los ensayos mecánicos; consiste enaplicar a una pieza de eje recto, en forma len-tamente creciente, dos fuerzas en la direccióndel eje que tienden a producir el alargamien-

to de la pieza.

El ensayo de tracción se realiza en las deno-minadas máquinas “universales”, que

permiten efectuar varios tipos de ensayo(compresión, flexión, etc.).

La probeta se sujeta, mediante dispositivos, a los cabezales de la máquina. Un

cabezal de la máquina es fijo y el otro esmóvil; este último es el que permite ealargamiento de la probeta hasta llegar ala rotura.

2

Ensayo de tracción

Una probeta es una muestra de un producto industrial o manufacturado, que se saca de un lote para sersometida a pruebas mecánicas, análisis químicos u otros ensayos.

Las probetas que se utilizan en los ensayos de materiales pueden ser industriales o normalizadas.

Las probetas industriales pueden tener cualquier forma; incluso, puede tratarse de la misma pieza en estudio.

Las probetas industriales se usan sólo en ensayos de control-verificación.

Las probetas normalizadas se caracterizan por tener sus dimensiones principales establecidas por norma;se usan en ensayos de investigación y, también, en ensayos de control-verificación.



Al realizar el ensayo, se obtiene un gráfico dela máquina que nos indica la carga o fuerzaaplicada (P) en función del alargamiento dela probeta (∆l).

Mediante un simple cambio de escalas, sepuede convertir el gráfico P-∆l en un gráficode tensiones (σ) versus alargamientos especí-ficos (ε).

Teniendo en cuenta que:

• So es la sección inicial.• Lo es la longitud inicial.• Lf es la longitud final.

El cambio de escalas se realiza de lsiguiente forma:

Esquema de máquina universal



A partir del diagrama, se efectúan ciertasdeterminaciones características de las propie-dades mecánicas del material:

• Módulo de elasticidad longitudinal omódulo de Young.

• Tensión al límite de propor-cionalidad.

• Tensión al límite de fluencia superior.• Tensión al límite de fluencia inferior.• Tensión máxima o resistencia estática a

la tracción.• Tensión de rotura convencional.• Alargamiento porcentual.• Estricción porcentual.

MÓDULO DE ELASTICIDAD LONGITUDINAL O

MÓDULO DE YOUNG (E). Es una constante paracada material y da idea de la rigidez de éste;a mayor E, el material es más rígido.Geométricamente, el módulo E se obtienecomo la tangente del ángulo α.

TENSIÓN AL LÍMITE DE PROPORCIONALIDAD (σp)Está indicada en el gráfico, por el punto 1. El lími-te de proporcionalidad se llama así porque endicho punto finaliza la parte recta del gráfico. Edecir que, en el límite de proporcionalidad, deja decumplirse la ley de Hooke y a, partir de allí, las tensiones no son proporcionales a las deformaciones

En los aceros, se considera que el límite deproporcionalidad coincide con la finalizaciónde la zona de comportamiento elástico. Estono es rigurosamente cierto, ya que no siemprela tensión al límite de proporcionalidad coincide con la tensión al límite de elasticidad; sinembargo, el error cometido al hacer tal suposición, es pequeño.

La tensión al límite proporcional, se calculadel siguiente modo:

4

Diagrama de tracción para un acero

La ley de Hooke establece que en elperíodo elástico, las tensiones sondirectamente proporcionales a lasdeformaciones. Matemáticamente,se expresa de la siguiente manera:

σ = E . ε

Donde:

• σ es la tensión.

• ε es la deformación específica.

• E es el módulo de elasticidad

longitudinal, que es constante

de proporcionalidad.



TENSIÓN AL LÍMITE DE FLUENCIA SUPERIOR (σfs).Está indicada en el gráfico por el punto 2.Durante el período de fluencia, se producenimportantes deformaciones de la probeta, sinvariaciones apreciables de la carga.

La tensión al límite de fluencia superior se calcula:

TENSIÓN AL LÍMITE DE FLUENCIA INFERIOR (σf i).Está indicada en el gráfico por el punto 3. Latensión al límite de fluencia inferior es:

TENSIÓN MÁXIMA O RESISTENCIA ESTÁTICA A L A

TRACCIÓN (σET). Está indicada en el gráfico porel punto 4. Se define como el cociente entre lacarga máxima y la sección inicial de la probeta:

TENSIÓN DE ROTURA CONVENCIONAL (σR). Estindicada en el gráfico por el punto 5. Se define como el cociente entre la cargconvencional de rotura y la sección inicial dla probeta:

Si observamos el gráfico, vemos que ltensión de rotura convencional (σR) emenor que la tensión máxima (σET), lcual parece incoherente. La causa de laparente incoherencia es que, en el gráfi

co anterior, las tensiones fueroncalculadas respecto a la sección iniciaSo; sin embargo, en la realidad, se produce un cuello en la probeta y latensiones deberían calcularse basándosen las secciones instantáneas.

Es así que tenemos un diagrama convencional y uno real, según calculemos la

tensiones con la sección inicial o con linstantánea, respectivamente.



La tensión de rotura real se calcula como elcociente entre la carga real de rotura y la sec-ción real de rotura; esta última se mide en laprobeta fracturada.

Además, a partir del ensayo de tracción se

calculan otros parámetros; a saber:

AL ARGAMIENTO PORCENTUAL

ESTRICCIÓN PORCENTUAL

Tanto el alargamiento como la estricción, sonmedidas que nos indican la ductilidad delmaterial ensayado.

De acuerdo con la ductilidad del material,obtenemos los siguientes tipos de fracturas:

Es importante distinguir cuál es la zona decomportamiento elástico y cuál es la zona decomportamiento plástico.

• Si estamos en la zona de comportamiento elástico y quitamos la carga, la probetarecobra sus dimensiones originales.

• En cambio, si estamos en la zona decomportamiento plástico (por ejemploen el punto A) y quitamos la carga, laprobeta queda con una deformación

plástica permanente (∆p) mientras quela deformación elástica (∆e) desaparece

6



Cabe destacar que la recta AB que indica ladescarga, es paralela a la recta del períodoproporcional.

Los ensayos de tracción también pueden realizar-se a altas temperaturas. A tal fin, la probeta se

coloca en un pequeño horno y se efectúa el ensayo a la temperatura deseada. En general, aaumentar la temperatura de ensayo, se verificque disminuye la resistencia y que aumenta lductilidad.

Hemos definido la tenacidad como la energíanecesaria para que un material alcance larotura. El área total bajo la curva de un ensa-

yo de tracción, representa la tenacidad.

No todos los materiales presentan gráficos de la forma que hemos considerado

A continuación, mostramos algun

ejemplos:

Ensayos de tracción a distintas temperaturas

Ensayo de tracción para distintos materiales



8

Puede resultarle interesante analizar en

clase estas cuestiones:

• Si el material A tiene mayor resistenciaestática a la tracción que el material

B, ¿se debe cumplir necesariamente

que el material A tiene mayor módulo E

que el material B? Dibujen la situación

en un gráfico tensión-deformación.

• Un material frágil, ¿tendrá fluencia?¿Por qué?

• ¿Cómo determinarían la tensión de

fluencia en un material frágil?

• El hierro tiene un módulo de elasticidad

tres veces mayor que el aluminio. En un

gráfico tensión-deformación, repre-senten cualitativamente los períodos

elásticos de ambos metales.

• Una fuerza de 18000 newton aplicada

a una barra de 0,9 cm2 de sección, le

genera un alargamiento de 9 cm a

9,05 cm. Calculen el módulo de elasti-cidad del material.

• A una barra metálica de 180 mm2 de

sección se le aplica una fuerza de

87000 newton. La tensión de fluencia

del material es de 375 Mpa. La barra,

¿sufrirá deformación plástica?Justifiquen las razones.

• Una probeta se ensayó a tracción

según los siguientes datos: diámetro

inicial: 10 mm; diámetro final: 9 mm;

longitud calibrada inicial: 15 cm; lon-

gitud calibrada final: 17,3 cm.

Determinen el alargamiento porcentual y la estricción porcentual.


Este ensayo se realiza, generalmente, enmateriales frágiles, como fundiciones y hor-migones (en este último caso, el ensayo seefectúa a los 28 días de fabricada la probeta).Por supuesto, es posible realizar ensayos decompresión a materiales dúctiles; estos mate-riales suelen tener una resistencia similar,tanto a compresión como a tracción.

El ensayo de compresión también se aplica a maderas.

Recordemos que los materiales frágilesrompen con nula o mínima deformación, y que los materiales dúctiles(aluminio, cobre, etc.) rompen con grandeformación.

Ensayo de compresión



En el ensayo de compresión, se aplican car-gas estáticas a la probeta, en la dirección desu eje longitudinal; durante el ensayo, la pro-beta tiende a acortarse.

Al ensayar materiales dúctiles, debido al

rozamiento existente entre los platos de lamáquina y la probeta, esta última general-mente no se rompe pero adquiere forma debarril (figura a).

En caso de que se llegue a la rotura del mate-rial ensayado (lo que es habitual en materialesfrágiles), ésta se produce según planos incli-nados a, aproximadamente, 45º o en forma

de grietas. El hecho de que los planos incli-nados de rotura formen 45º tiene justificaciónteórica, ya que en ellos se producen las máxi-mas tensiones de corte (figura b).

En los ensayos de compresión se deben tenerciertas precauciones con las dimensiones dela probeta, que se normalizan para evitar laaparición de pandeo.

A partir de los diagramas obtenidos del ensa-yo de compresión, se pueden realizar lasdeterminaciones de:

• Tensión al límite de proporcionalidad.• Tensión al límite de aplastamiento.

• Tensión máxima o resistencia estática la compresión.

• Acortamiento porcentual.• Ensanchamiento porcentual.

TENSIÓN AL LÍMITE DE PROPORCIONALIDAD. E

límite de proporcionalidad se llama asporque, en dicho punto, finaliza la partrecta del gráfico. Es decir que, en el límitde proporcionalidad deja de cumplirse lley de Hooke y, a partir de allí, las tensiones no serán proporcionales a ladeformaciones.

La tensión al límite proporcional se calcul

del siguiente modo:

TENSIÓN AL LÍMITE DE APL ASTAMIENTO. Estconcepto es equivalente a la tensión dfluencia en un ensayo de tracción. Cab

decir que, en un ensayo de compresión, lfluencia no siempre es fácilmente identificable. La tensión al límite de aplastamientse calcula como:

TENSIÓN MÁXIMA O RESISTENCIA ESTÁTICA A L

COMPRESIÓN (σec). Se define como el cociententre la carga máxima y la sección inicial dla probeta:

Probetas sometidas a compresión



ACORTAMIENTO PORCENTUAL ENSANCHAMIENTO PORCENTUAL

40

Ensayo de compresión en distintos materiales

los diagramas obtenidos son convencionales, ya que las tensiones se

refieren a la sección inicial de la probeta y no a la sección instantánea

Sus alumnos pueden analizar:

• La diferencia entre un diagrama con-

vencional y uno real, ¿es mayor para

materiales frágiles o materiales dúc-

tiles? Justifiquen la respuesta.

• La compresión es muy utilizada en pro-

cesos de fabricación tales como:

recalcado de cabezas de tornillo,

acuñado de monedas y laminado de

roscas. ¿Cómo se realizan estas opera-

ciones? ¿Qué ventaja fundamental

tienen las roscas laminadas sobre las

mecanizadas?

• El ensayo de compresión también se

aplica a ladrillos, maderas y concreto.

Justifiquen estas aplicaciones.




Este ensayo seaplica, general-mente, enmetales frágiles

y, también, enmaderas y envigas de hormi-gón. Vamos acentrarnos en elestudio del ensa-yo de flexión enmetales.

Este ensayo tam-bién se realiza enlas llamadas máquinas universales. El esque-ma generalmente usado para realizar unensayo de flexión es el siguiente:

En el esquema anterior, los esfuerzos de fle-

xión van acompañados por esfuerzos decorte. La influencia de los esfuerzos de cortedisminuye, al incrementarse la luz entre apo-yos; por tal motivo, las probetas estánnormalizadas.

Pero, si queremos ser rigurosos, debemosconsiderar que el esquema de ensayo para

obtener flexión pura (sin esfuerzos de cortees éste:

La flexión se caracteriza por provocar esfuerzos de tracción y compresión en formsimultánea:

• La parte de la viga que tiende a alargarse, está sometida a tracción (partinferior de la viga en los esquema

anteriores).• La parte de la viga que tiende a acortarse, está sometida a compresión (partsuperior de la viga en los esquemaanteriores).

• El eje neutro –también llamado fibrneutra– es aquel que separa las zonas dtracción y compresión. Este eje nexperimenta deformaciones (no se alar

ga ni se acorta).• La superficie que contiene los ejes neutros se denomina superficie neutra

plano neutro.

Cuando la probeta es ensayada, el eje neutrse desplaza gradualmente de su posición original. Se llama flecha, a la distancia vertica

Le resultará interesanteconocer nuestra publi-cación:• Durán, María Gabriela

(2005) Equipamiento EMA

–características físicas

de los materiales de

construcción –. InstitutoNacional de EducaciónTecnológica. BuenosAires.

Su versión digital está dispo-nible en www.inet.edu.ar, enla Serie “Recursos didác-

ticos”.

Ensayo de flexión

Ensayo de flexión

Ensayo de flexión



entre la posición original del eje neutro y lassucesivas posiciones que tome dicho eje,medida en el lugar de máxima flexión de la

probeta. La flecha puede ser medida durantela realización del ensayo, a través de un dis-positivo especial llamado flexímetro.

Las determinaciones más importantes de esteensayo son:

• Momento flector o flexor máximo paraviga con carga concentrada el centro.

• Módulo resistente.• Resistencia a la flexión.• Factor de flexión.• Índice de rigidez.

MOMENTO FLECTOR O FLEXOR MÁXIMO PARA VIGA

CON CARGA CONCENTRADA EN EL CENTRO

(MFMAX). Se calcula como:

siendo P la carga aplicada en el medio de laviga y L la luz entre apoyos

MÓDULO RESISTENTE ( WZ). Es el cociente entreel momento de inercia de la sección con respecto al eje neutro y la distancia de la fibra másalejada al eje neutro. En caso que la probeta seade sección circular, la fórmula queda:

Las unidades para Wz son mm3, cm3 o cualquier otra unidad de longitud elevada al cubo

RESISTENCIA A L A FLEXIÓN (σEF). Es el cociente

42



entre el momento flector máximo y el módu-lo resistente.

F ACTOR DE FLEXIÓN. Se define como el cocien-te entre la resistencia de flexión (σEF) y laresistencia de tracción (σET).

INDICE DE RIGIDEZ. Se calcula como el cociente entre la resistencia a la flexión (σEF) y lflecha de rotura.

Debemos recordar que las determinacionese efectúan con probetas normalizadas.

Le proponemos que plantee a los alumnos:

• Esquematicen cómo queda una probeta

de metal frágil ensayada a flexión y cómo

resulta una probeta de metal dúctil.

• ¿Por qué motivo el ensayo de

flexiónse aplica, entre otras cosas,

a vigas de hormigón armado y vigas

de madera utilizadas en construc-

ciones civiles?


Un alto valor de resistencia estática a la trac-ción o de resistencia de rotura, no indicannecesariamente que ese material sea apropia-

do para soportar las cargas en servicio.Recordemos que, en el ensayo de tracción,las cargas son aplicadas en forma lenta y gra-dual; pero que, muchas veces, los elementoso piezas se ven sometidos a tensiones cícli-cas, trabajos a alta temperatura o a cargasaplicadas en forma repentina como, porejemplo, golpes. El problema de impacto,entonces, adquiere relevancia, básicamente,en el diseño de maquinaria con partes móvi-les y pesadas.

Los ensayos de impacto determinan la capaci-dad de un material de soportar cargas aplicadasen forma instantánea; los resultados obtenidossólo se utilizan con fines comparativos con otrosensayos realizados en condiciones idénticas.

El ensayo de impacto nos suministra unindicación de la fragilidad del material y considera los tres factores que aumentan l

fragilidad:

• Alta velocidad de aplicación de la carga• Bajas temperaturas.• Estado complejo de tensiones (existen

cia de entallas, cambios bruscos dsección, etc.).

Durante el ensayo, una masa que cae de cierta altura impacta sobre la probeta comuesca (entalla). Como resultado, se obtienla energía absorbida por la probeta, cuandesta probeta es rota de un solo golpe, por unmasa que cae.

Existen dos formas para realizar los ensayode impacto y son el método Charpy (que e

Ensayo de impacto o choque



el más usado) y el método Izod. En los doscasos, la rotura se produce por flexión de laprobeta, por lo que ésta se llama flexión porchoque.

El método Charpy comenzó utilizándose en Alemania, Francia e Italia, entre otros países

europeos. En este caso, la probeta está simplemente apoyada en la máquina. Una masagolpea el centro de la probeta y la rompe deun solo golpe; las normas fijan las velocidade

de impacto como así también las dimensionesde la probeta. La probeta recibe el impacto enel lado opuesto a la entalladura.

44

Máquina para ensayo de impactose realiza en la llamada máquina péndulo –el brazo de

la máquina puede considerarse un péndulo físico–.

Esquema del ensayo Charpy



Se define la resiliencia como el trabajo gasta-

do por unidad de sección; o sea que laresiliencia es el cociente entre la energíaabsorbida y el área de la probeta en el planomedio de la entalla. Se mide, así, en

joule/cm2 en una unidad de energía divididapor una unidad de superficie.

Sin embargo, la tendencia es dar los resulta-dos del ensayo expresando solamente la

energía de rotura.

El método Izod es originario de los paíse

anglosajones (EEUU, Inglaterra). En estensayo, la probeta se coloca verticalmente eel dispositivo de sujeción de la máquina. Lmasa, al caer, impacta sobre la probeta en lcara que tiene la entalla.

La energía de impacto debe ser suficientpara romper la probeta de un solo golpe. Eneste método, los resultados se expresan

mediante la energía absorbida en la rotura.

Esquema del ensayo Izod

Probetas para el ensayo Charpy



El método Charpy ha ido desplazando almétodo Izod, aún en los países anglosajo-nes. Su ventaja es que permite realizarensayos a temperatura distinta de laambiente, con gran facilidad; para lograreste objetivo, sólo es necesario llevar la

probeta a la temperatura de trabajo y,luego, ensayarla rápidamente para que laprobeta no intercambie calor ni con losapoyos ni con el aire. En cambio, en elmétodo Izod, como la probeta está empo-trada, se produce gran intercambio decalor entre probeta y apoyos, lo que hacenecesario que tanto la probeta como eldispositivo alcancen la temperatura de tra-

bajo, lo que resulta complejo.

En el ensayo de impacto, podemos considerar:

• Expansión lateral.• Apariencia de fractura.• Temperatura de transición.

EXPANSIÓN LATERAL. La acción del impacto

produce flexión y corte en la probeta, tantoen el método Charpy como en el Izod.Hemos visto que la flexión provoca, simultá-neamente, tracción y compresión:

• la zona traccionada se alargará longitu-dinalmente y, por tanto, disminuirá suancho; mientras que

• la zona comprimida se acortará en ladirección del eje de la probeta y seensanchará transversalmente.

Se define la expansión lateral ∆ A como ladiferencia entre el mayor ancho en la sec-ción de entalla (Af) y el ancho inicial de laprobeta (Ao).

La expansión lateral también puede expresarse de la siguiente forma:

APARIENCIA DE FRACTURA. En el plano de rotura de la probeta, se distinguen dos zonasuna zona dúctil cuyo aspecto es sedoso yopaco, y una zona frágil de aspecto granular y brillante.

El porcentaje de fractura dúctil (%D), se defi

ne como:

TEMPERATURA DE TRANSICIÓN. Determinados materiales (aceros ferríticos

46

Expansión lateral

Esquema de una fractura



aleaciones de titanio) se caracterizan por-que la energía absorbida en la rotura

varía fuertemente en función de la temperatura de ensayo:

En el gráfico se observa que:

• a temperaturas bajas, la energía absorbi-da es pequeña (zona de fragilidad);

• a temperaturas altas, la energía absorbi-da es grande y el comportamiento delmaterial se califica como dúctil;

• la zona intermedia se denomina zona detransición. Se observa que dicha zona

abarca un rango de temperaturas.

Cabe, entonces, preguntarnos: ¿Cuál es latemperatura de transición?

Hay diversos criterios para definir la temperatura de transición; los más comunes son:

• Temperatura para la cual la energíabsorbida toma determinado valorDicho valor varía según el materiaensayado.

• Es la temperatura para la cual la energíabsorbida es igual al promedio de la

energías de la zona dúctil y frágil.• Temperatura para la cual la fractura presenta iguales superficies dúctil y frág(50 % y 50 %, respectivamente).

Resultará interesante que plantee a los

estudiantes de su clase:

• ¿Conviene que las piezas trabajen por

encima o por debajo de la temperatura

de transición? ¿Por qué?

• Mencionen ejemplos de componentes

sometidos a cargas de impacto.

• Analicemos información sobre el

naufragio del Titanic. Se sorprenderán

por la relación existente entre estacatástrofe y la resistencia al impacto

del material con que estaba construido

el casco del buque.




48

Como definimos anteriormente, la dureza esla resistencia que ofrece un material, a serrayado o penetrado por otro.

Entre las aplicaciones más importantes deeste ensayo, podemos mencionar:

• Control de calidad de materias primas.• Control de calidad de tratamientos tér-

micos• Estimación de la resistencia a la tracción

de aceros.• Estimación de la resistencia al desgaste.

Existen diversos métodos para medir dure-zas; estudiaremos los más habituales.

MÉTODO BRINELL

Es uno de los métodos más utilizados; con-

siste en aplicar sobre la pieza o probeta aensayar una carga P (generalmente, 3000kgf) durante un tiempo t, empleando unabolilla (penetrador) de acero duro de diáme-tro (D), generalmente igual a 10 mm.

Se define la dureza Brinell (HB) como elcociente entre la carga aplicada (P) expresa-

da en kgf y el área S de la impronta expre-sada en mm2.

Es decir que:

A través de una deducción matemática, s

puede demostrar lo siguiente:

La expresión anterior permite el cálculo de ladureza Brinell en función de la carga aplicada P, el diámetro de la bolilla D y el diámetro

de la impronta d.

El diámetro de la impronta d surge promediando dos valores obtenidos en direccionesperpendiculares entre sí.

Como el diámetro de la impronta debemedirse con 0,01 mm de aproximación, se

Ensayo de dureza

Esquema de un ensayo Brinell



usan microsco-pios con ocularesmicrométricos ocon instrumentossimilares.

Consideremos, ahora, la Ley de semejanzapara el ensayo Brinell.

Si queremos comparar resultados de ensayosBrinell realizados en materiales iguales o dis-tintos, y en diferentes condiciones (cargas,bolillas, espesores), es necesario lograr quelas condiciones de deformación plástica seaniguales en las probetas o piezas ensayadas.

Para un mismo valor de dureza Brinell, obte-nido en diferentes condiciones de ensayo(diámetro de bolilla y carga), se demuestramatemáticamente que:

C es la constante del ensayo.

En forma estricta, los valores de durezaBrinell solamente pueden compararse cuan-do la constante de ensayo C es la misma.

Sin embargo, en la práctica, la norma IRAMfija valores de C para grupos de materiales yla norma ASTM fija valores de C para rangosesperados de dureza.

Para acotar la falta de semejanza, las normasrecomiendan que:

Antes de efectuar el ensayo, debemos seleccionar los valores de las distintas variablesegún se indica a continuación.

1. Determinación de la constante de ensayo C

La norma IRAM 104 establece los siguientevalores:

C = 30, para aceros y fundiciones.C = 10, para aleaciones de aluminio y cobreC = 5, para aluminio y cobre.C = 2,5 - 1,25 - 1, para materiales muy blandos (plomo, estaño y sus aleaciones).

2. Determinación del diámetro de la bolilla

La bolilla más usada es la de 10 mm de diámetro. También se utilizan, aunque emucha menor medida, bolillas de 5 - 2,5 - y 1 mm de diámetro.

Para seleccionar el diámetro de la bolilladebemos tener en cuenta que el espesode la probeta sea mayor o igual a 10veces la profundidad de penetración; d

Debemos recordar quelas cargas se expresanen kgf y los diámetrosen mm.



esta manera, nos aseguramos que ladeformación es absorbida íntegramentepor la probeta y no por la máquina deensayo.

Cumpliendo lo anteriormente enunciado, se

deben usar las bolillas del mayor diámetroposible, a fin de facilitar la lectura y de dis-minuir la influencia de la falta dehomogeneidad del material.

3. Determinación de la carga máxima

Debemos tener en cuenta que

Esta tabla satisface la relación anterior y nospermite conocer las cargas a emplear en loscasos más frecuentes:

4. Determinación del tiempo de permanencia (t)

El aumento de la carga hasta su valor máxi-mo debe efectuarse sin choques ni

vibraciones.

El tiempo de aplicación (t) debe asegurar lafinalización del flujo plástico del materialdeformado por la bolilla. Este tiempo varíasegún el material, siendo:

• para aceros y fundiciones, entre 10 y 15segundos;

• para aluminio y sus aleaciones, 30segundos;

• para metales muy blandos –plomo,cinc, etc.–, la carga es aplicada durante3 minutos.

Las consideraciones generales a tener encuenta en el ensayo son:

• El método Brinell no se aplica a materiales muy duros, ya que la bolilla sedeforma, distorsionando, así, los resultados del ensayo.

- Para bolillas de acero duro, los resultados son aceptables hasta 450 HBalgunas normas recomiendan nosuperar los 300 HB.

- Para bolillas de carburo de tungsteno, los resultados son aceptablehasta 630 HB.

• Al realizar el ensayo, las superficies dela probeta estarán limpias de partículasvirutas, aceites, etc.

• La probeta a ensayar tendrá superficieparalelas y planas, siempre que seaposible.

• Durante el ensayo no existirán movimientos relativos entre probeta ymáquina

• La probeta no deberá sufrir calenta

0

2,5

5

10

15,6

62,5

250

31,2

125

500

93,75

375

1500

187,5

750

3000

Diámetro debolilla (mm)

Plomo,estaño, etc.

(C = 2,5)

Cobre, aluminio(C = 5)

Aleaciones decobre y aluminio

(C = 15)

Aceros yfundiciones

(C = 30)



miento ni endurecimiento superficialdurante el mecanizado.

• La pieza o probeta a ensayar se apo-yará sobre un soporte limpio, pulidoy rígido.

• La dirección de aplicación de la carga y

la superficie de la probeta serán perpen-diculares.• El diámetro de la impronta surgirá pro-

mediando dos valores de diámetros,medidos perpendicularmente entre sí.

• El ensayo se considerará aceptable si0,20 d/D 0,60.

• El espesor de la probeta será suficientecomo para que no queden marcas en la

cara opuesta a la impronta. Además, elespesor de la probeta será, como míni-mo, de 10 veces mayor al valor de laprofundidad de penetración h.

• El centro de la impronta estará a una dis-tancia mínima de 2,5 . d del borde de laprobeta (excepto, para casos especiales).La distancia mínima entre centros deimprontas será, como mínimo, de 4 d.

Consideremos, ahora, cómo resolver el cálculoy la presentación de los resultados del ensayo.

Para obtener la dureza Brinell, reemplazamoslos valores de P, D y el promedio (d) de losdiámetros de la impronta en la fórmula:

Otra metodología posible para el cálculode la dureza es el empleo de tablas indica-das en las normas. Entrando a dichastablas con los valores de los parámetrosutilizados, obtenemos, directamente, elvalor de la dureza.

Con respecto a la presentación de los resultados y en caso que el ensayo se haya realizaden condiciones normales –es decir, con uncarga P de 3000 kgf, con bolilla de acerduro de 10 mm de diámetro y durante utiempo de 15 segundos–, el resultado se pre

senta con el número de la dureza seguido polas letras mayúsculas HB.

En caso de emplear condiciones normales densayo pero con bolilla de carburo de tungsteno, el valor de la dureza va seguido de laletras mayúsculas HBW.

En caso que alguna condición del ensay

difiera de las condiciones normales, el valonumérico de la dureza va seguido de las letraHB o HBW; y, a continuación, se colocan lovalores de D, P, t (en ese orden) y sin unidades. Por ejemplo: Una dureza Brinell de 20obtenida con bolilla de acero duro de 5 mmde diámetro, empleando una carga de 37kgf, en tiempo t igual a 30 segundos, se indica de la siguiente forma:

Las ventajas del ensayo Brinell son:

• Como el tamaño de la impronta es relativamente grande, se disminuyen los efectode las heterogeneidades del material.

• La preparación de la probeta es simple

• Si no se dispone de un durómetropuede utilizarse una prensa hidráulico una máquina de tracción, siemprque sea posible controlar la aplicaciónde la carga.



Desventajas del ensayo Brinell:

• Es un ensayo relativamente lento.• La impronta que produce este ensayo es

grande; en muchos casos, la pieza se inu-tiliza, con el consiguiente desperdicio.

• No es un método aplicable a materialesmuy duros ya que se deforma la bolilla,provocando distorsión en los resultadosdel ensayo.

• No es un método aplicable a piezaspequeñas.

• No es un método aplicable a piezas contratamiento superficial.

Existe una relación entre la dureza Brinell yla resistencia a la tracción de aceros. Lasiguiente expresión permite calcular, enforma aproximada, la resistencia máxima a latracción, para el caso de aceros de bajo car-bono recocidos.

Las máquinas para realizar ensayos de dureza se denominan durómetros.

Cabe mencionar la existencia de máquinasque permiten realizar más de un tipo de ensa-

yo de dureza; por ejemplo, Brinell y Vickers.

2

Durómetro

Usted puede proponer a sus alumnos una

actividad como ésta:

A fin de controlar la calidad de diversas mate-

rias primas compradas, una empresa realizaensayos Brinell (todos con bolilla de acero) en

las condiciones presentadas en la tabla.

A partir de la tabla, los alumnos calculan

la dureza Brinell en cada caso y expresan

los resultados en la forma correcta.

Además –y, suponiendo que los materia-

les de los ensayos 1 y 3 corresponden a

aceros–, es interesante que determinen,en forma aproximada, la resistencia a la

tracción para dichos casos.

En caso que la escuela posea un duró-

metro, le recomendamos hacer




MÉTODO ROCKWELL

El método Rockwell, al igual que el Brinell,es un método de penetración.

En este método se utilizan cargas más peque-ñas que en el método Brinell; lospenetradores pueden ser de dos tipos: conode diamante o bolillas de acero duro de dis-tintos diámetros.

El método Rockwell, al aplicar cargasmenores, deja improntas menores que elmétodo Brinell.

En este sistema, la dureza se lee directamen-te en el dial de la máquina y sólo depende dela profundidad de penetración (Recordemos

que, para determinar la dureza Brinell, sdebía efectuar el correspondiente cálculo).

Para la realización del ensayo Rockwell:

• Aplicamos una carga inicial Po (también llamada precarga) para que epenetrador quede firmemente en contacto con la pieza; la profundidaalcanzada será usada como nivel dreferencia.

• Luego, colocamos la aguja del dial indicador en el valor de fondo de escal(invertimos la escala para lograr que materiales más duros correspondanmayores valores numéricos de dureza)

• A continuación, agregamos la carga adicional Pa sin choques ni vibraciones.

ensayos de aplicación. Existen durómetros

Brinell de taller que son portátiles y de mucho

menor costo que los durómetros tradicionales.

En caso que la escuela no posea durómetro,

sus alumnos pueden efectuar ensayos de

dureza empleando una máquina universal o

una prensa hidráulica; no importa que los

valores obtenidos no sean de gran preci-

sión ya que –a efectos del proceso de

enseñanza y de aprendizaje– la experiencia

resultará igualmente valiosa.

1

2

3

4

3000

1000

750

500

10

10

5

5

3,2

2,8

3

2,1

15

30

45

45

Nº deensayo

Carga P(kgf)

Diámetro debolilla (mm)

Diámetro deimpronta

(mm)

Tiempo deensayo

(s)



• Dejamos actuar un tiempo la carga total(inicial más adicional) de modo queasegure la finalización de la deforma-ción plástica (el indicador se detiene).

• Acto seguido, retiramos la carga adicional

y leemos la dureza Rockwell en el dial dela máquina.

Resumidamente, el aumento de penetraciónexpresado en micrómetros (h) provocado por lacarga adicional, determina la dureza de la pieza

El durómetro se calibra de forma tal que, apartir de la medición de la profundidad depenetración, se lea la dureza Rockwelldirectamente en el dial de la máquina; la

dureza Rockwell (HR) y la profundidad depenetración (h), están relacionadasmediante la ecuación:

Donde:• C y C1 son constantes que dependen de

la escala Rockwell utilizada.• C es el número que corresponde al

fondo de escala; su valor es 100, cuan-do usamos cono de diamante, y 130 siel penetrador usado es la bolilla.

• C1 es la distancia de penetración equi-valente a un número Rockwell; vale 1micrómetro para la escala Rockwell

superficial y 2 micrómetros para la escala Rockwell normal.

La ecuación HR = C – (h / C1) es válida para

superficies planas; en caso de ensayar superficies curvas, las normas especifican el valoque se debe agregar al número indicado poel dial de la máquina.

Las escalas Rockwell se pueden dividir endos grandes categorías: escalas comunes yescalas superficiales.

• En las escalas Rockwell comunes, lacarga inicial tiene un valor de 10 kgfUn número Rockwell corresponde auna penetración de 2 micrómetros.

• En las escalas Rockwell superficiales, lacarga inicial tiene un valor de 3 kgf. Unnúmero Rockwell corresponde a unapenetración de 1 micrómetro.

4

Etapas del ensayo Rockwell



Para elegir la escala correspondiente a unadeterminada aplicación, se considera tanto elmaterial como el espesor de la capa o pieza aensayar.

A fin de realizar una correcta elección de laescala, lo más apropiado (como en todo otroensayo) es consultar las normas correspon-dientes.

Sin embargo, a fin de tener una primera

aproximación, podemos considerar lasiguientes indicaciones:

• Rockwell A. Se aplica a materiales dgran dureza y de poco espesor, comhojas de tijeras, aceros con tratamientotermoquímicos, etc.

• Rockwell B. Se aplica a materiales ddureza intermedia, como aceros dmedio y bajo tenor de carbono, aleaciones de cobre y aluminio, etc.

A Común 10 50 60

C Común 10 140 150

D Común 10 90 100

F Común Bolilla 1/16” 10 50 60

B Común Bolilla 1/16” 10 90 100

H Común Bolilla 1/8 “ 10 50 60

E Común Bolilla 1/8 “ 10 90 100

15N Superficial 3 12 15

30N Superficial 3 27 30

15T Superficial Bolilla 1/16” 3 12 15

30T Superficial Bolilla 1/16” 3 27 30

En las escalas superficiales, la letra N significa que se usa cono de diamante y la letra T significa que se usa bolilla de 1/16”

Características de algunas escalas Rockwell tanto comunes como superficiales

Escala Tipo de Penetrador Carga inicial Carga Carga totalescala (kgf) adicional (kgf)

(kgf)

Cono dediamante

Cono dediamanteCono dediamante

Cono dediamante

Cono dediamante



• Rockwell C. Se aplica a materiales degran dureza y espesor, como acerostemplados, aceros aleados, fundicionesmuy duras y, en general, materiales conHRB superior a 100.

• Rockwell F. Se aplica a chapas de meta-

les blandos, aleaciones de cobre, etc.• Rockwell E. Se aplica a metales blandosy antifricción.

La escala B arroja valores aceptables entreHRB 10 y 100. Para valores mayores aHRB = 100, la bolilla se puede deformar.Para valores menores a HRB = 10, los valo-res son erráticos.

La escala C se aplica a materiales cuya dure-za excede HRB =100. El rango correcto detrabajo en la escala Rockwell C abarca desdeHRC = 20 hasta HRC = 70.

Si no se conoce el material ensayado ni suscondiciones, lo conveniente es realizar, pri-mero, un ensayo Rockwell C y, si el resultado

obtenido es inferior a 20, se procede a reali-zar un ensayo Rockwell B.

Si el material ensayado carece de homogenei-dad, habrá gran dispersión en los resultadosobtenidos; en ese caso, conviene cambiar auna escala con carga o bolilla mayor.

En cuanto a las escalas superficiales:

• Escalas N. Se aplican a materiales comoaceros endurecidos, aleaciones duras ycarburos.

• Escalas T. Se aplican a materiales blan-dos, como latones, bronces, acerosblandos o materiales similares.

Las precauciones generales del ensayoRockwell son:

• La superficie de la pieza o probeta aensayar estará libre de aceites, pinturasvirutas, etc. Durante el mecanizado de

preparación de la superficie, no resultarán calentamientos que produzcantratamientos térmicos superficiales.

• La pieza o probeta estará apoyada firmemente sobre la máquina de ensayola carga se aplicará perpendicularmentea la superficie ensayada.

• Durante la realización del ensayo, no seproducirán vibraciones ni choques.

• El espesor de la pieza o capa a medirserá igual o mayor a 10 veces la profundidad de penetración h.

• La distancia entre el borde de la probeta y el centro de la impronta será igual omayor a 2,5 veces el diámetro de laimpronta. La distancia entre centros deimprontas contiguas será igual o mayoa 4 veces el diámetro de impronta.

• La máquina de ensayo se calibrará periódicamente; a tal fin, con la máquina sesuministran probetas de dureza certificada

• Se recomienda leer las instrucciones demanual de la máquina.

MÉTODO VICKERS

El método de dureza Vickers es también unmétodo de penetración. En él, se aplica unpenetrador de diamante con forma de pirámide recta de base cuadrada, cuyo ánguloentre caras opuestas es de 136º.

Se aplica una carga creciente, hasta un valormáximo que varía entre 1 y 120 kgf; sin

6



embargo, las cargas de mayor uso en estemétodo corresponden a 10, 30 y 50 kgf.

Los ensayos realizados con cargas menores a1 kgf se denominan ensayos de microdureza

Vickers; en estos casos, las cargas más utili-

zadas corresponden a 100, 300 y 500 gf.

El penetrador se aplica hasta que la cargaalcanza su máximo valor; luego, dicha cargaactúa durante un tiempo t; posteriormente,se retiran la carga y el penetrador.

En la pieza o probeta ensayada queda unaimpronta; debemos medir las dos diagonales

de dicha impronta y hacer el promedio.

La dureza Vickers está definida como elcociente entre la carga aplicada (kgf) y lasuperficie de la impronta (mm2) calculada apartir del promedio de las diagonales.

En forma genérica, la dureza Vickers se calcula del siguiente modo:

Donde:• P es la carga aplicada.• S es la superficie de la impronta.• k es una constante de conversión.

En caso que la carga P estuviese expresada ekgf y la superficie de la impronta en mm2, lconstante k vale 1.

En caso que la carga P estuviese expresada enewton y la superficie de la impronta enmm2, la constante k vale 0,10197.

En caso que la carga P estuviese expresada egf y la superficie de la impronta en micrometros cuadrados, la constante k vale 1000

La fórmula de cálculo (cuya deducción n

exponemos) que permite determinar la dureza Vickers en función del promedio de ladiagonales, es:

Donde:• k es la constante.• P es la carga.• d es el valor promedio de las diagonales

Consideremos la notación. En los ensayo Vickers normales, el resultado numérico vseguido de las letras HV y, a continuación, sespecifica la carga de ensayo en kgf. El tiempo de permanencia de la carga se especifica

Esquema del ensayo Vickers



continuación de la carga, si fuese distinto alos 15 segundos.

Por ejemplo: Una dureza Vickers de 150obtenida con una carga de 30 kgf aplicadadurante 20 segundos, se expresa de la

siguiente forma:

En un caso similar al anterior, pero habiendoaplicado la carga durante 15 segundos, lanotación es:

Observamos que, aquí, no es necesario espe-cificar el tiempo, ya que éste es igual a 15segundos.

Para los ensayos de microdureza, la carga Pexpresada en gf y el tiempo t se ubican como

subíndices.

Así, una dureza Vickers de 500, obtenida conuna carga de 300 gf durante 15 segundos seexpresa:

El mismo caso anterior, pero habiendo actua-do la carga durante 30 segundos:

Las precauciones durante el ensayo de Vickers son:

• La superficie estará limpia y libre delubricantes, óxidos, etc.

• Si la superficie a ensayar tiene curvatura (esférica o cilíndrica) se podrácorregir mediante factores correctivoexpresados en las normas.

• En los ensayos de microdureza, la probeta será preparada con extremo cuidadoobteniendo un pulido correspondiente auna preparación metalográfica.

• Se asegurará la perpendicularidad entrecarga y superficie.

• La probeta no sufrirá desplazamientoschoques ni vibraciones durante el ensayo

• La medición de las diagonales de l

impronta se realizará con instrumentosde precisión.• Para calcular la dureza, se usará el pro

medio de las diagonales. Si los valorede las diagonales difieren mucho entresí, se investigarán los motivos de tadiferencia, y, si es posible, se corregirá lacausa y se repetirá el ensayo.

• El espesor de la probeta será, como

mínimo, igual a 10 veces la profundidad de la impronta.• La distancia entre centros de impronta

será igual o mayor a 4 veces el valor dela diagonal. La distancia entre el centrode una impronta y el borde de la probeta, será igual o mayor a 2,5 veces evalor de la diagonal.

Las ventajas del ensayo Vickers son:

• Se usa un único penetrador para todo erango de durezas.

• Con las cargas pequeñas (en gramos) seobtienen improntas pequeñas y, por lotanto, se pueden medir capas o piezasmuy delgadas.

8



Las desventajas del ensayo Vickers:

• Es un ensayo lento.• Deben medirse cuidadosamente las

diagonales.

• Requiere una excelente preparaciósuperficial para cargas bajas.

MÉTODO KNOOP

Es un ensayo de penetración, similar a losque ya hemos visto.

El penetrador es una pirámide de diamante;su base tiene forma de rombo determinadapor norma.

En este ensayo, se aumenta el valor de lacarga hasta un valor máximo P y se mantieneaplicada la carga P durante un tiempo t;

posteriormente, se retira el penetrador y smide la diagonal mayor L.

La dureza Knoop queda definida como ecociente entre la carga P (expresada en kgf)

Le proponemos que trabaje esta situación

con sus alumnos:

En un determinado proceso de fabricación,

las durezas de pequeñas láminas metáli-

cas son variables críticas para el correcto

funcionamiento del producto final. Por tal

motivo, se realiza una serie de ensayos

Vickers a distintos tipos de láminas, de

acuerdo con la siguiente tabla:

Calculemos los valores de dureza Vickerspara cada tipo de lámina, expresando los

resultados en forma adecuada.


1

2

3

100

300

500

10

32

59

12

29

61

15

30

45

Lámina Nº Carga P(gf)

Diagonal Nº 1(micrómetros)

Diagonal Nº 2(micrómetros)

Tiempo deensayo

(s)

Vista superior de una impronta Knoop



el área S (expresada en mm2) del rombo mar-cado en la superficie de la probeta.

Siendo así, podemos calcular la durezaKnoop de la siguiente manera:

Cuando la carga P está expresada en kgf y elárea en mm2, la constante k vale:

Cuando la carga P está expresada en gf y el áreaen micrómetros cuadrados, la constante k vale:

A partir de consideraciones geométricas,cuya deducción no presentamos, se obtienela fórmula de cálculo de la dureza Knoop:

Donde:• k toma el valor de acuerdo a las unida-

des elegidas.• L es el valor de la diagonal mayor.

Las cargas utilizadas varían entre 1 y 1000 gf,mientras que los tiempos de permanencia dela carga P más comúnmente usados oscilan,generalmente, entre 10 y 15 segundos (estostiempos no se indican en la notación).

Respecto de las notaciones, el criterio essimilar al de los métodos anteriores. Por

ejemplo, una dureza Knoop de 350, obtenida con una carga de 200 gramos aplicadaentre 10 y 15 segundos, se expresa:

El mismo ejemplo anterior pero con tiempode aplicación de 30 segundos:

Este ensayo se aplica a piezas muy pequeñas, capas superficiales delgadas o

electrodepositadas, superficies tratadastermoquímicamente, etc.

Respecto de loscuidados y pre-cauciones atener en cuentaen el ensayo, sonlos mismos que

en los casos ante-riores.

MÉTODO SHORE

Éste es un ensayo de rebote. Consiste endejar caer desde cierta altura una masa (lla-mada martillo) con punta diamantada o deacero muy duro. El martillo cae guiado por einterior de un tubo vertical de vidrio; ésteúltimo puede acercarse o alejarse de la basedel durómetro, para poder ensayar piezas dediferentes espesores.

A partir de la altura de rebote, se calcula ldureza Shore:

0

Como en todos losensayos, se recomiendaconsultar las normascorrespondientes.



Donde:

• h0 es la altura inicial.• h es la altura del rebote.

Como material de referencia para la construcción de la escala, se toma un acero dherramientas templado (si ensayamos estacero, la altura de rebote será h0) .

Respecto de los durómetros Shore, existen

dos tipos fundamentales: el durómetro ShorC y el durómetro Shore D.

Los resultados se expresan con el valornumérico de la dureza seguido de las letrasmayúsculas HSC o HSD, según hayamosempleado un durómetro C o D, respectiva-mente.

Las ventajas del ensayo Shore son:

• Es un ensayo rápido y simple.• La impronta es muy pequeña y, por lo

tanto, puede aplicarse en piezas reducidas.

• Hay instrumentos de dureza Shore quson portátiles.

• Es un ensayo sensible para altos valorede dureza.

Sus desventajas:

• Es un ensayo que requiere gran preparación superficial.

• El ensayo no puede realizarse en superficies magnetizadas.

Esquema simplificado de un durómetro Shore D



2

Sus alumnos pueden construir un dispos-

itivo elemental de medición de dureza por

rebote. Éste, a pesar de carecer de la pre-

cisión necesaria, tendrá gran valordidáctico y permitirá ensayar diversos

materiales, a fin de realizar compara-

ciones. Con él será posible medir la altura

de rebote de distintos materiales, como

aceros con y sin tratamiento térmico,

aleaciones de cobre y aluminio, fundi-

ciones, maderas, plásticos.

Un método elemental es el empleo de una

lima, para determinar si un material es

más o menos duro. En los materiales

duros, la lima tenderá a resbalar con gran

facilidad; mientras que, en los materiales

más blandos, la lima arrancará materialde la pieza.

Los alumnos pueden realizar esta

experiencia sobre distintos materiales,

como aceros con y sin tratamiento térmi-

co, aleaciones de cobre y aluminio,

fundiciones, maderas, plásticos y otros.Esta sencilla experiencia, permitirá com-

parar las durezas de distintos materiales,

en forma cualitativa.


La mayoría de los componentes de máquinasno están sometidos a cargas estáticas sino acargas variables en función del tiempo.

Sucede que un componente mecánico some-tido a esfuerzos cíclicos, puede alcanzar larotura aún cuando las tensiones soportadassean muy inferiores a la resistencia estáticamáxima del material o, incluso, inferiores a latensión de fluencia del material.

Se denomina fallas de fatiga a este tipo carac-terizado por:

• esfuerzos cíclicos y repetidos en el tiempo,• roturas ocasionadas por tensiones infe-

riores a la resistencia máxima del material o a la resistencia de fluencia.

Las fallas por fatiga se inician en una grietapequeña, la cual va aumentando su tamañocon el paso de los ciclos de carga. La mayoríade las veces, la grieta comienza en la superficie del componente.

El comienzo de las fallas por fatiga se puedegenerar en:

• defectos del material como inclusiones, etc.,

• cambios geométricos en el componente opieza (agujeros, roscas, chaveteros, reduc

Ensayo de fatiga



ciones o aumentos de sección, etc,),• estado superficial del componente (una

superficie muy rugosa favorece las fallaspor fatiga, lo mismo que las superficiesoxidadas).

El aumento de la grieta hace disminuir lasección resistente hasta que, finalmente, esta

última es tan pequeña que se produce lrotura repentina de la pieza.

En consecuencia, en una sección fracturadpor fatiga se distinguen dos zonas: una primera zona en la que la grieta ha id

aumentando su tamaño y una segunda zonque rompió repentinamente.

En las fallas estáticas, en general, se produceuna gran deformación del componente antesde alcanzar la rotura; muchas veces, esta grandeformación es visible y, entonces, puedentomarse las medidas correspondientes.

Por el contrario, las fallas por fatiga se pro-ducen en forma abrupta y, entonces, resultanmuy peligrosas.

Esto significa que los materiales sometidosa cargas estáticas, trabajan en forma muydistinta a los materiales sometidos a cargasde fatiga.

Consideremos algunos ejemplos de componentes sometidos a fatiga.

Las fibras pertenecientes a ejes rotatorio(motores eléctricos, cigüeñales, etc.), enciertas posiciones de funcionamiento, esta

rán sometidas a compresión y, en otraposiciones de funcionamiento, estaránsometidas a tracción. Podemos decirentonces, que los ejes rotatorios estásometidos a fatiga.

Un eje de una máquina gira a razón de 2.00rpm, durante 8 horas de trabajo diarias. E

Secciones cuya rotura se produjo por fatiga



un día da 960.000 vueltas y, trabajando 20días por mes, dará 19.200.000 vueltas men-suales; se ve, entonces, que durante la vidaútil, un componente puede sufrir miles demillones de ciclos.

También los cascos de los barcos y las estruc-turas de aviones están sometidos a esfuerzosvariables en el tiempo. Algunos ejemplos depiezas sometidas a fatiga son los rieles deferrocarril, los dientes de engranajes, los ála-bes de turbinas y los resortes.

De acuerdo con el tipo de solicitación a quese ven sometidos los componentes y las pie-

zas mecánicas, existen diversos tipos de fallapor fatiga:

• Fallas por fatiga debidas a cargas cíclicasde tracción variables.

• Fallas por fatiga debidas a cargas cíclicasde tracción-compresión alternadas.

• Fallas por fatiga debidas a cargas cíclicasde flexión.

• Fallas por fatiga debidas a cargas cíclicasde torsión.

Teniendo en cuenta la cantidad de ciclos aque el componente o pieza estará sometidodurante su vida útil, los estudios de fatiga sedividen en:

• Fatiga de bajo número de ciclos.

• Fatiga de alto número de ciclos.

Algunos autores consideran que 1.000 cicloses el límite entre la fatiga de bajo número de

ciclos y la de alto número de ciclos; otrosautores consideran que dicho límite es10.000 ciclos o aún más.

Según sea que el componente a analizar estésometido, durante su vida útil, a alto núme

ro de ciclos o a bajo número de ciclos, seaplicarán distintos procedimientos para analizar las fallas por fatiga.

En el caso de fatiga de alto número deciclos (que se da en máquinas rotativastanto fijas como móviles) que es el caso queestudiaremos nosotros, el procedimientoaplicado busca encontrar un límite de resis

tencia a la fatiga.

Teniendo en cuenta el límite de resistencia ala fatiga (obtenido de los ensayos) y un factode seguridad, diseñamos la pieza o componente para que soporte la fatiga sinproblemas. Aplicando este procedimiento deencontrar un límite de resistencia a la fatigabuscamos que la iniciación de las grietas

nunca empiece.

Este procedimiento2 se ha aplicado durantemucho tiempo, por lo que existe una grancantidad de datos y de información disponibles. Mediante su aplicación se puedendiseñar componentes sujetos a cargas variables que tengan vida infinita.

De acuerdo a cómo son las tensiones apli-cadas en función del tiempo, tenemosdistintos ciclos:

4

2 Existen otros dos procedimientos que escapan del objetivode este material de capacitación, por lo que no los estudiaremos. Éstos permiten analizar las fallas por fatiga de bajonúmero de ciclos y son:

- el procedimiento de la deformación-vida,

- el procedimiento de la mecánica de fractura lineal elástica



En todos los ciclos graficados, se verifica que

σMAX es la tensión máxima, σMED es la tensiónmedia y σMIN es la tensión mínima.

La fatiga puede ser ocasionada por distintostipos de esfuerzos cíclicos. Por lo tanto, exis-ten distintos tipos de máquinas:

• Máquinas que producen fatiga, median-te esfuerzos axiales variables detracción/compresión.

• Máquinas que producen fatiga, median-te esfuerzos variables de flexión.

• Máquinas que producen fatiga, median-te esfuerzos variables de torsión.

Cada una de éstas incluye un contador queregistra el número de ciclos aplicados.

Las máquinas más utilizadas son las que pro

ducen fatiga aplicando esfuerzos de flexiónestas máquinas utilizan una probeta giratoriaLa probeta está sostenida, en sus extremospor sujetadores especiales. La carga se aplica través de dos rodamientos equidistantes decentro de la probeta; ambos rodamientosoportan cargas iguales.

Para que los esfuerzos sean cíclicos, se hace giramecánicamente la probeta mediante un motor; ecada vuelta se provoca un ciclo de carga. Lo anterior significa que cuando una fibra de la superficiexterna de la probeta esté en la parte superior sencontrará sometida a compresión; cuando egiro de la probeta provoque que la fibra anteriopase a ocupar la parte inferior de la probeta, lmisma fibra estará sometida a tracción.

Ciclos de tensiones en fatiga



Existen máquinas universales de fatiga en lasque, a través del uso de distintos dispositi-vos, se pueden realizar ensayos aplicandoesfuerzos cíclicos de tracción y/o compre-sión, de flexión o de torsión.

El objetivo final del ensayo es determinar ellímite de resistencia a la fatiga del materialestudiado. A tal fin, se prepara un número

suficiente de probetas que sean representa-tivas del material. Con los resultadosobtenidos de las distintas probetas, se trazala curva de Wöhler correspondiente almaterial ensayado.

Para construir la curva de Wöhler de unmaterial, se necesita un mínimo de entre 10

y 15 probetas iguales. La curva de Wöhler eun gráfico que muestra la tensión en el eje deordenadas y la cantidad de ciclos para alcanzar la rotura en el eje de abscisas; los gráficode Wöhler también se conocen como gráficos S-N (S hace referencia a las tensiones y Nal número de ciclos).

Los gráficos de Wöhler son semilogarítmicos

esto significa que la escala de tensiones (ejede ordenadas) es lineal, mientras que la escala del número de ciclos (eje de abscisas) eslogarítmica.

A continuación, mostramos diagramas d Wöhler para distintos materiales metálicosometidos a fatiga mediante flexión rotativa:

6

Esquema de máquina de flexión rotativa



La probeta inicial se somete a altas tensionesy, por lo tanto, su rotura ocurre a baja canti-

dad de ciclos; las probetas siguientes seensayan con tensiones menores, necesitandomayor cantidad de ciclos para alcanzar larotura.

Es muy importante mencionar que, aún paraun mismo material ensayado en iguales con-diciones, las curvas de Wöhler obtenidastienen importantes variaciones entre sí.

Para ensayos habituales de rutina, puedetomarse como válida la curva de Wöhler obte-nida con una única serie de probetas; paraestudios más rigurosos, además de las tensio-nes (S) y del número de ciclos (N), debemosconsiderar la probabilidad de falla (P) median-te la realización de estudios estadísticos.

Consideremos la influencia de las distintavariables en la resistencia a la fatiga:

• Terminación superficial. Como hemodicho, la mayor parte de las grietas sda en la superficie de los componentespor esto, cuanto mejor sea la terminación superficial (superficie mápulida), mayor será la resistencia a lfatiga. Así, por ejemplo, una superficirectificada tendrá mayor resistencia la fatiga que una superficie desbastaden un torno.

• Endurecimiento superficial. El endurecimiento superficial se obtienmediante la proyección de bolillas dacero sobre la superficie de la pieza. Eimpacto de bolillas de acero (granalla

Diagramas de Wöhler.Los puntos A, B, C y D corresponden a los valores limites de resistencia a la fatiga



do) provoca tensiones de compresiónen la superficie de la pieza; dichas ten-siones de compresión perjudican elinicio y la propagación de grietas, mejo-rando así la resistencia a la fatiga.

• Trabajado en frío. El trabajado en frío(por ejemplo: estampado, laminado otrefilado) origina tensiones de compre-sión en la superficie de la pieza. Estastensiones de compresión disminuyen lageneración y propagación de grietas,mejorando la resistencia a la fatiga.

• Corrosión. Durante su funcionamiento,

muchos componentes mecánicos estánexpuestos a la acción de vapor de agua,gases de escape de motores, vapores deácidos, etc., los que tienen importantesefectos corrosivos. Estos factores corrosi-vos favorecen la aparición de nuevasgrietas, además de incrementar la veloci-dad de crecimiento de las grietas yaexistentes. Resulta, entonces, que la corro-

sión perjudica la resistencia a la fatiga.

• Tratamientos térmicos. Tratamientostérmicos tales como la cementación y eltemple a la llama o por inducción,mejoran la resistencia a la fatiga3. Lanitruración, que es un tratamiento ter-moquímico, también mejora laresistencia a la fatiga.

• Capas depositadas en forma electrolítica.El niquelado y el cromado no favorecenla resistencia a la fatiga, a menos quevayan acompañados de otros tratamien-tos superficiales –como el granallado–.

Por otra parte, las capas depositadas demetales blandos tales como cobreplomo, estaño y zinc no comprometenseriamente la resistencia a la fatiga.

• Temperatura. La mayor parte de los

ensayos de materiales se realiza a temperatura ambiente. Sin embargodurante su vida útil, muchas piezasestán expuestas a altas temperaturas(como en las máquinas térmicas) o abajas temperaturas (como en máquinafrigoríficas). Por lo tanto, la resistenciaa la fatiga también varía en función dela temperatura; la relación entre resis

tencia a la fatiga y temperatura ebastante compleja, dependiendo, además, del material ensayado. Poejemplo, la resistencia a la fatiga dealgunos aceros disminuye hasta queencuentra su punto más bajo alrededode los 150 ºC y, luego, aumenta hastaalcanzar su punto más alto entre los300 ºC y 400 ºC; a partir de los 300

400 ºC, la resistencia a la fatigadisminuye nuevamente.

¿Cómo se concreta el ensayo en componentes reales? Muchas veces, se necesita estudiael comportamiento a fatiga de piezas críticasen las condiciones de trabajo reales; poejemplo, en amortiguadores, estructuras deaviones, etc. Para realizar estos ensayos seconstruyen dispositivos específicos queobviamente, son costosos, pero cuyo gasto es

justificado por razones de seguridad.

Al realizarse el ensayo sobre componentes quetienen forma y tamaño real, los resultados sonmucho más confiables que si el ensayo sehubiese realizado sobre probetas de laboratorio

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3 Estudiaremos los tratamientos térmicos, con mayor profundi-dad, en los próximos materiales de capacitación de esta serie.



Le proponemos las siguientes cuestiones

para discutir en clase:

• Cuando queremos cortar un alambre amano, en lugar de traccionarlo, lo que

hacemos es esforzarlo hacia un lado y

hacia el otro en forma sucesiva, hasta

que se rompe. ¿Qué relación tiene esta

forma de proceder con la solicitación

por fatiga? Suponiendo que los esfuer-

zos aplicados hacia un lado y hacia el

otro son absolutamente parejos, ¿qué

tipo de ciclo corresponde?

• Supongamos que tenemos dos ejes A y B

que tienen igual diámetro, son de igual

material y cada uno tiene un chavetero.

La única diferencia es que la base del

chavetero correspondiente al eje A tiene

ángulos rectos, mientras que la base delchavetero correspondiente al eje B es

redondeada. ¿Cuál de los ejes tendrá

mayor resistencia a la fatiga y por qué?

• ¿Se puede afirmar que las bielas de

motores de combustión interna están

sometidas a ciclos de fatiga de trac-

ción–compresión? Expliquemos la

idea.

• ¿Qué importancia tienen las grietas en

la resistencia a la fatiga?


Muchas piezas, equipos y componentesestán sometidos a altas temperaturas defuncionamiento durante el transcurso de suvida útil: las calderas, las turbinas de gas yde vapor, los equipos de las industrias quí-micas y petroquímicas. En talescondiciones de carga y temperaturas eleva-das, se produce una deformación lenta yprogresiva; este proceso se denomina ter-mofluencia o creep.

Los ensayos de termofluencia son, general-mente, largos: pueden durar varios meses e,incluso, años, y sirven para conocer la capa-

cidad de un material para soportar cargas temperaturas elevadas.

En forma genérica, la termofluencia se produce a temperaturas superiores a 1/3 o 1/2 dla temperatura de fusión del metal ensayado

Durante el ensayo, se mantienen constantes ltensión o la carga y la temperatura; lo que sbusca obtener es la deformación de la probeten función del tiempo. Los ensayos se realizanhabitualmente, a carga y temperatura constantey es conveniente que las condiciones de ensaysean muy similares a las de funcionamiento.

Ensayo de termofluencia



En los gráficos obtenidos, se distinguen tresetapas distintas.

1. Disminuye la velocidad de deformación(dada por la pendiente de la curva), loque significa que el material se endure-ce. Es decir que, a medida quetranscurre la etapa 1, las dislocaciones

tienen mayor dificultad para moverse.

2. Corresponde a la parte lineal del gráficoLa velocidad de deformación es constante; las dislocaciones sobrepasan losobstáculos con la misma velocidad con

que son “frenadas” por otras imperfecciones. La pendiente de la recta en estasegunda etapa es un importantísimoparámetro a obtener en el ensayo y sedenomina velocidad de termofluencia:

3. Caracterizada por un aumento de lavelocidad de deformación, se produceuna reducción de la sección que lleva ala rotura final; en este punto, se determina otro importante parámetro: etiempo de rotura. En determinadas aplicaciones, el tiempo de rotura es eparámetro que limita el funcionamientode las piezas

70

Esquema de un ensayo de termofluencia

Curva típica de un ensayo de termofluencia realizado con carga y temperatura constantes



A partir de la realización de gran cantidad deensayos de termofluencia, se puede construir,para cada temperatura y cada material, un gráfi-co de tensión en función del tiempo de ruptura.

Estos gráficos se utilizan para predecir la vidútil de un componente, para una tensión temperatura determinadas.

Variación de las curvas de termofluenciaen función de la carga

Variación de las curvas de termofluenciaen función de la temperatura



72


Un problema para trabajar en clase:

A fin de conocer el comportamiento de un

material metálico que trabajará a 560 ºC,

se realiza un ensayo de termofluencia. A

tal fin, se ensaya una probeta de 10 cm de

longitud inicial; los datos obtenidos se

muestran en la tabla siguiente.

Graficamos los valores de deformación

específica en función del tiempo e identi-

ficamos, en el gráfico, cada una de las

etapas de la termofluencia.

Explicamos qué sucede en cada etapa y

obtenemos la velocidad aproximada de

termofluencia.

0

200

400

600

800

10,1

11

11,3

11,4

11,5

Tiempo(horas)

Deformación(cm)

1000

1200

1400

1600

1800

11,6

11,7

12

12,5

13,4

Tiempo(horas)

Deformación(cm)

Es un ensayo simple y se utiliza para verificarla ductilidad de metales.

Consiste en:• someter la probeta a esfuerzos de fle-

xión, hasta que ésta alcanza undeterminado ángulo α establecido en lanorma del producto ensayado o en lasespecificaciones técnicas; y, luego,

• verificar visualmente si en la cara some-tida a tracción aparecieron grietas4.

El material es aceptado si no aparecen grietasa simple vista en la cara traccionada; o, eventualmente, si las grietas no superandeterminado tamaño.

Es un ensayo que, entre otros usos, se aplicaa juntas soldadas.

Ensayo de doblado o plegado

4 Existen varias disposiciones para realizar el ensayo; como siempre, es imprescindible consultar las normas correspondientes.



Dos disposiciones para realizar el ensayo de plegado


¿Por qué no propone a sus alumnos que, utilizando una prensa y un mandril

de doblado (que puede ser construido por ellos mismos), realicen el dobla-

do a diversos materiales metálicos, y verifiquen o no la existencia de fisuras

en la cara traccionada?



La probeta y el punzón se recubren con grasaantes del ensayo, a fin de disminuir el rozamiento.

Como en todo ensayo, se recomienda con-

sultar las normas correspondientes; éstasespecifican la precisión con que deben efectuarse las mediciones, el tipo de grasa autilizar y otros parámetros a tener en cuenta

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El ensayo de embutido, también denominadoensayo Erichsen, se aplica principalmente achapas que serán sometidas a procesos deembutido mediante matrices.

Este ensayo permite determinar qué tanbuena es la chapa, para ser sometida a proce-sos de embutido.

Consiste en aplicar un penetrador (punzón)a la chapa para:

• Determinar la ductilidad de la chapa

ensayada.• Determinar el tamaño de grano.

La chapa a ensayar está sujeta por los bordesen su totalidad, mientras que el penetradoravanza a velocidad uniforme sobre la chapa(probeta).

El ensayo finaliza cuando la deformación de

la chapa alcanza determinada magnitud ocuando la chapa alcanza la rotura.

La distancia, expresada en mm, que avanzael penetrador desde el inicio del recorridohasta la rotura de la chapa, se denominaíndice Erichsen. Este índice da idea de la

ductilidad de la chapa y, en consecuenciaes una medida de la capacidad que tiene lachapa para ser deformada mediante proce-sos de embutido. Este índice no es unacaracterística propia del material, ya quevaría con el espesor de la chapa.

El punzón utilizado habitualmente tieneforma esférica, pudiendo variar la forma para

casos especiales.

La determinación del tamaño de grano de lachapa ensayada puede efectuarse de dosformas:

• empleando oculares o microscopios provistos en el accesorio correspondiente,

• mediante un muestrario suministrado po

el fabricante de la máquina de ensayo.

Ensayo de embutido

Esquema del ensayo Erichsen



En los ensayos no destructivos, no se provo-ca la rotura del componente ensayado.

Estos ensayos tienen inmensa aplicación para

analizar la existencia de defectos en compo-nentes y piezas que están en uso; algunosdefectos que se pueden detectar con estas téc-nicas son: fallas superficiales y subsuperficiales(grietas), porosidades internas del material,inclusiones, etc. También se pueden medirespesores de recubrimientos, tales como capasniqueladas, pintadas, cromadas, etc.

Los ensayos no destructivos tienen gran apli-cación en mantenimiento y permiten, entreotros objetivos:

• determinar la existencia de grietas ensoldaduras, componentes de usoaeronáutico, puentes y grandesestructuras;

• determinar espesores de pared en reci-pientes a presión, tanques y cañerías,

considerando que los efectos corrosivosen estos elementos, hacen que las pare-des disminuyan su espesor con el pasodel tiempo, pudiendo alcanzar valorespequeños que resultan peligrosos;

• inspeccionar defectos internos en piezasfundidas, forjadas o mecanizadas.

Pasaremos ahora, a estudiar los ensayos no des-tructivos más importantes, en forma particular.

Ensayo de líquidos penetrantes

Con este ensayo se pueden detectar poroo fisuras abiertos a la superficie. El méto

do es aplicable a todo tipo de materialemetálicos y no metálicos, con la restricción de que el material ensayado no debser poroso. Los resultados del ensayo soncualitativos.

Resumidamente, el método se basa en lcapacidad de ciertos líquidos de penetrar enlos defectos superficiales tales como fisuras

Posteriormente, se aplica una sustancireveladora (que puede ser seca o húmeda)que tiene la propiedad de absorber el líquido que ingresó en los defectos. Observandlas manchas en el revelador, podemos determinar las características generales de lafisuras tales como posición, cantidad, formy tamaño aproximado.

Las etapas a seguir para la realización deensayo son:

• Realizamos una minuciosa limpieza dla superficie a ensayar.

• Aplicamos el líquido penetrantsobre la superficie a ensayar. El líquido penetrante debe tener lviscosidad, la tensión superficial y lcapilaridad correctas. Esperamos etiempo adecuado, para que el líquidpenetre en los defectos superficialestales como poros y fisuras.

• Quitamos el exceso de líquido penetrante• Aplicamos el medio revelador sobre l

superficie de la pieza y esperamos etiempo adecuado.

• Examinamos visualmente la superficie d

Ensayos no destructivos



la pieza, a fin de percibir la existencia ono de manchas que indiquen la presenciade defectos. Si el líquido penetrante utili-zado no es fluorescente, el examen de lasuperficie puede realizarse con luz natu-ral o con luz artificial común. Si el líquido

penetrante usado es fluorescente, laobservación debe realizarse con luz ultra-violeta. En el caso de usar líquido nofluorescente, las manchas –generalmen-te– son de color rojo sobre el reveladorcolor blanco. En el caso de usar líquido

fluorescente,las manchasa p a r e c e nfluorescentessobre unfondo oscuro.

• Realizamos la limpieza final de la pieza

Los líquidos penetrantes, así como las sustancias reveladoras, se consiguencomercialmente.

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Debemos tener la pre-

caución de no enfocar

los ojos directamente a la

fuente de luz ultravioleta.

Secuencia de un ensayo de líquidos penetrantes

En caso de que su escuela posea líqui-

dos penetrantes y reveladores

comerciales, puede usted proponer asus alumnos ensayar piezas fisuradas.

En caso de no poseer tales elementos

comerciales, le sugerimos probar con

tintas diluidas, pinturas diluidas o líqui-

dos similares; y, como reveladores, pro-

bar con cal de construcción, talco o

sustancias similares.

Por supuesto, es importante que usted

aclare a los estudiantes que éstos no son

ensayos rigurosos sino experiencias que

facilitan la comprensión.




Ensayo de partículas magnéticas

Con este ensayo es posible detectar defectossobre la superficie o muy cercanos a ésta.

Se aplica a piezas construidas con materiales

ferromagnéticos –materiales que pueden sermagnetizados fuertemente–; la magnetiza-ción de la pieza puede realizarse empleandocorriente continua o alterna.

Si esparcimos sobre la pieza o superficie aexaminar (previamente magnetizada) partí-culas de material magnético –polvo de hierroseco o húmedo–, podemos observar las líne-

as de fuerza del campo magnético y detectar,así, la presencia de defectos.

Como su nombre indica, en el método secolas partículas de hierro se aplican en seco; enel método húmedo, en cambio, las partículasestán en suspensión en un líquido que puedeser agua, aceite u otro. Al ensayar superficiesamplias, generalmente se usa el método seco,

ya que la recuperación de las partículas dehierro es más fácil; por otra parte, el métodoseco permite detectar los defectos subsuper-ficiales con mayor facilidad que el métodohúmedo. El método húmedo, por su parte,facilita la detección de defectos superficialesmuy pequeños.

En caso que la pieza o superficie ensayada notuviese defectos, las partículas de polvo dehierro siguen la forma característica de laslíneas de campo magnético.

En caso que la pieza o superficie ensayadatuviese defectos en la superficie o cercanos aella, las líneas de campo magnético cambiansu forma y, por lo tanto, la disposición de las

partículas de polvo de hierro refleja el defecto presente.

Este método –como los ensayos no destructi

vos, en general– se aplica al mantenimienten la industria aeronáutica, ferroviaria naval, entre otras.

La orientación relativa entre el defecto y lalíneas de campo magnético, es de granimportancia para visualizar fácilmente lodefectos. Los defectos más fácilmente visualizables son aquellos que están en un plan

perpendicular a las líneas de campo magnético. Cuando el ángulo entre las líneas dcampo magnético y el plano del defecto epequeño (desde 0º hasta 30º/40º), el defectno se visualiza.

Existen dos formas diferentes para magnetizar las piezas:

• Magnetización longitudinal. En estcaso, las líneas de fuerza atraviesan lpieza en forma paralela a su eje longitudinal. Para obtener magnetizaciólongitudinal, se hace circular corrientpor una bobina o arrollamiento, encuyo interior se ubica la pieza (la piezdebe ubicarse en forma longitudina

Modificación de las líneas de campodebida a la presencia de defectos



respecto al campo generado por la bobi-na). El campo magnético en la zonaexterna a las piezas magnetizadas longi-tudinalmente, es muy notorio.

• Magnetización circular. En este caso, seestablece un flujo magnético en todo el

contorno periférico de la pieza estudia-da. Para obtener magnetización circular,se hace circular corriente por la piezamisma o a través de un conductor queatraviesa la pieza (en caso de que éstasea hueca). El campo magnético en lazona externa a las piezas magnetizadascircularmente es muy poco notorio.

Para obtener la magnetización de las piezasque serán ensayadas, se usan: imanes perma-nentes, electroimanes, bobinas, pasaje decorriente a través de la pieza, pasaje de

corriente por un conductor central que atraviesa la pieza. Cabe destacar que, mediante euso de imanes permanentes, se obtienen piezas magnetizadas en forma débil; estasituación mejora de gran manera con el usode electroimanes.

La magnetización puede efectuarse mediantecorriente continua (CC) o mediante corriente alterna (CA). La CA es de mayor aplicaciónque la CC para realizar este tipo de ensayosdetecta bastante fácilmente los defectosuperficiales, no así los subsuperficiales. Posu parte, la CC es muy útil para detectafallas subsuperficiales.

Usando CA, no existen mayores diferenciasentre el método húmedo y el seco; en cambio, con CC, el método seco da mejoreresultados que el húmedo.

Los pasos a seguir durante la realización deensayo son:

• Limpiamos la superficie a ensayar.• Desmagnetizamos la pieza (en caso queestuviera magnetizada), a fin de eliminar las perturbaciones al campomagnético que será aplicado posteriormente.

• Magnetizamos la pieza a ensayar y aplicamos las partículas magnéticasExisten dos maneras de hacerlo:- aplicar la magnetización y las partí

culas en forma simultánea,- realizar primeramente la magnetiza

ción y, luego, aplicar las partículas.• Realizamos la inspección de la pieza

ensayada, evaluando los resultados.• Desmagnetizamos la pieza.• Limpiamos la pieza.

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La desmagnetización de la pieza es importan-te, ya que el magnetismo remanente puedeafectar su normal funcionamiento. Por ejem-plo, una pieza móvil que quede magnetizada,

se vería afectada por las posibles virutas partículas metálicas que se adhieran a susuperficie, incrementándose así rápidamentel desgaste de dicha pieza.

Le proponemos que sus alumnos reali-

cen la magnetización de piezas

fisuradas (mediante imanes, elec-

troimanes o haciendo circular corriente

por la pieza) y, luego, cubran la pieza

con viruta fina de hierro para verificar la

existencia de fisuras.

No olvide implementar todas las pre-

cauciones necesarias al trabajar con

corriente eléctrica.


Ensayo de ultrasonido

Este ensayo se basa en la emisión de ondasultrasónicas (no audibles) que atraviesan elmaterial o pieza ensayada, y que son refleja-das por la cara opuesta de la pieza o por sus

defectos internos.

Los pulsos emitidos y los pulsos reflejados pordefectos o por la superficie opuesta son visua-lizados en la pantalla de un osciloscopio.

Las ondas ultrasónicas son generadasmediante cristales piezoeléctricos (crista-les de cuarzo, titanato de bario y otros).Estos cristales, tienen la característica deque, cuando son sometidos a una tensióneléctrica aplicada entre dos de sus caras,se deforman mecánicamente; al eliminar latensión eléctrica aplicada, el cristal recu-pera su forma original, generando unaonda; porque, para llegar a la posición ori-ginal, el cristal pasa por una serie de

oscilaciones. En resumen, los cristales piezoeléctricos generan vibraciones cuandson sometidos a una tensión eléctrica viceversa.

Mediante la aplicación de ondas acústicase detectan defectos internos de los materiales como sopladuras, grietas, inclusioney discontinuidades superficiales en lingotes, chapas, barras, tubos, en estadfundido, forjado o mecanizado. El ensayde ultrasonido también permite mediespesores y realizar controles de calidad en

Vibración mecánica de una lámina piezoeléctrica sometida a tensión eléctrica



cordones de soldadura. Debemos tenermuy en cuenta que la propagación deondas a través de la pieza es un transportede energía y no de materia.

Las ondas ultrasónicas consisten en la propa-

gación de oscilaciones de una partículaalrededor de su posición de equilibrio; estasoscilaciones se transmiten de una partículahacia las partículas vecinas y, de esta forma, setransmite la onda a través de todo el material.

La frecuencia de las ondas ultrasónicas essuperior a los 20 kHz.

Existen diferentes tipos de ondas ultrasónicas:

• Ondas longitudinales: Son aquellas enque la dirección de propagación de laonda es coincidente con la dirección deoscilación de las partículas.

• Ondas transversales: Son aquellas enque la dirección de propagación de laonda es perpendicular a la dirección de

oscilación de las partículas. Un casoparticular de las ondas transversales sonlas ondas superficiales, las que se trans-miten por la superficie del material.

En los líquidos y gases tenemos solamenteondas longitudinales; en los sólidos, lasondas pueden ser longitudinales, transversa-les o combinación de ambas.

Impedancia acústica es la resistencia queopone el material a la oscilación de las partí-culas. Un material con baja impedanciaacústica ofrece poca resistencia al pasaje deondas ultrasónicas; un material con altaimpedancia acústica ofrece gran resistencia alpasaje de ondas ultrasónicas.

Se produce pérdida de energía ultrasónicadebido a varios factores:

• A medida que nos alejamos del palpador emisor, se produce una divergenciade la onda. Esto significa que la energía

ultrasónica es menor al aumentar la dis-tancia al emisor.• La presencia de inhomogeneidades y

defectos (tales como inclusiones, porosetc.) en el material generan dispersión ypérdida de energía.

• Parte de la energía ultrasónica se convierte en calor, como consecuencia de ladeformación experimentada por la

estructura cristalina y por el movimiento transmitido a las partículas dematerial (iones, en el caso de un metal)

Por tales motivos, disminuye la energía ultrasónica que atraviesa el material y, enconsecuencia, disminuye la amplitud de lasseñales reflejadas por las fallas existentes.

Los palpadores (también llamados cabezalesson los elementos que se apoyan sobre lasuperficie de la pieza a ensayar; su función esla de generar, emitir y recibir las ondas ultrasónicas que atraviesan la pieza.

El palpador está constituido por un cristapiezoeléctrico ubicado dentro de una carcaza metálica.

Los palpadores se caracterizan por:

• Resistencia al desgaste. Ésta depende desi el cristal piezoeléctrico está directamente en contacto con la pieza aensayar o está protegido.

• Sensibilidad. Da idea de la cantidad de

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energía eléctrica que se convierte enenergía ultrasónica.

• Poder de resolución. Se dice que un pal-pador tiene alto poder de resolucióncuando la separación entre dos ecos defondo es muy visible, a pesar de que el

escalón de la pieza que produce esosecos, sea muy pequeño. Un alto poderde resolución ayuda a una correcta lec-tura y evita errores.

En un palpador normal, la propagación de londa es perpendicular a la superficie. Estformado por un solo cristal que puede ser dcuarzo u otros materiales piezoeléctricosdependiendo de la sensibilidad, del poderesolutivo y de la resistencia al desgast

requeridos. Cuando empleamos el métodde reflexión –lo explicamos en unos párrafomás–, el cristal puede actuar como emisor receptor simultáneamente.

El palpador doble está formado por dos cris-tales separados, integrados en la mismacarcaza. Uno de los cristales actúa como emi-sor y el otro como receptor de las ondas

ultrasónicas. Estos palpadores son muy adecuados para detectar defectos cercanos a lsuperficie y para examinar piezas con superficies curvas.

Esquema de palpador normal

Esquema de palpador doble



Un palpador angular se caracteriza porque lasondas ultrasónicas son dirigidas en formaoblicua sobre la superficie de la pieza. Los pal-padores angulares son muy útiles paradeterminar fallas orientadas verticalmente oen diagonal respecto de la superficie del mate-

rial. Los palpadores angulares estándar tienenángulos característicos de 35º, 45º, 60º, 70º80º, y 90º; los palpadores de 90º se usan parafallas superficiales. Existen palpadores angulares universales; en ellos se puede variar eángulo del cristal, según las necesidades.

En su carcaza, los palpadores tienen grabadoun código integrado por números y letrasque indican las características del palpador.No vamos a estudiar aquí estos códigos condetenimiento; sólo diremos, a modo de ejem-plo, que el tipo de cristal es indicado por unaletra: Los cristales de cuarzo se identificancon la letra Q, los cristales de titanato debario con la letra B y los cristales especiales seindican con la letra K.

Dentro del código se incluye un número queindica la frecuencia de operación del cristal yletras que indican el tipo de palpador (angu-lar, doble, de inmersión, etc.).

Los dos métodos principales para efectuar el

ensayo de ultrasonido son5

:• método de transparencia y• método de reflexión.

MÉTODO DE TRANSPARENCIA. En este caso, epalpador emisor se coloca en una cara de lapieza, mientras que el palpador receptor secoloca en la cara opuesta. Si en la pieza ensayada no existen defectos, el palpador receptorregistra toda la energía emitida por el palpadoremisor (a excepción de las pequeñas pérdidas). Los picos de energía emitida y recibidatienen igual altura y se visualizan separados enla pantalla del osciloscopio.

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Esquema de palpador doble

5 Existe un tercer método, menos utilizado, llamado de resonancia. Se utiliza, fundamentalmente, para la determinación despesores en piezas de caras paralelas.



En caso que la pieza ensayada tuviese defectos,parte de la energía emitida se refleja en talesdefectos; resulta, entonces, que la energía reci-bida por el palpador receptor es menor que laenergía emitida por el palpador emisor. La

energía emitida y la energía recibida por ereceptor tienen sus correspondientes picosindividualizados en la pantalla del osciloscopioEn este caso, el pico de energía recibida es dmenor altura que el pico de energía emitida.

Resumidamente, en el método de transpa-rencia, la detección del defecto se basa en ladisminución de energía recibida. Por estemétodo, no se puede determinar la profundi-dad a que se encuentra el defecto (no sepuede determinar su ubicación).

MÉTODO DE REFLEXIÓN. En este caso, el palpadoemisor es también el receptor. Por tal motivono debe existir interferencia entre las ondaincidentes y las reflejadas; esto se logra haciendo que las ondas incidentes sean emitidas enforma de pulsos y no de manera continua.

Método de transparencia pieza sin defecto

Método de transparencia

pieza con defecto



Si en la pieza ensayada no existen defectos, enla pantalla del osciloscopio se observan dospulsos separados: uno correspondiente a laenergía emitida y otro correspondiente al eco

de fondo de la cara opuesta de la pieza. Al noexistir defectos, la distancia entre los picos enla pantalla del osciloscopio corresponde adoble del espesor de la pieza ensayada.

En caso de que la pieza ensayada tuviesedefectos, parte de la energía emitida serefleja en tales defectos y parte de la ener-gía continúa su trayectoria hasta reflejarseen el fondo de la pieza. Puede ocurrir que,

si el tamaño del defecto es muy grande,toda la energía se refleje en él y nada de

energía llegue al fondo de la pieza.

La energía emitida, la energía reflejada porel defecto y la energía reflejada por efondo de la pieza tienen su correspondien

te pico, individualizado en la pantalla deosciloscopio.

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Método de reflexión pieza sin defecto

Método de reflexión pieza con defecto



En síntesis: En el método de reflexión se deter-mina la existencia del defecto por la apariciónde un pulso de energía reflejada en este defec-to. Por este método se puede determinar laubicación del defecto ya que, midiendo el tiem-po del movimiento del haz desde su origenhasta la recepción, y conociendo la velocidad

de propagación del sonido en el material, sedetermina el camino recorrido hasta el defecto.

A partir de este ensayo, existen métodos apro-ximados para estimar el tamaño del defecto.

El método de reflexión también se aplicapara la determinación de espesores.

A fin de eliminar la película de aire existenteentre los palpadores y la pieza ensayada, se

utilizan medios de acople. Los medios deacople más utilizados, son aceites; pero, tam-bién pueden utilizarse pastas de acopla-miento producidas por los fabricantes deequipos de ultrasonido.o grasas.

Debemos tener presente que la frecuencia dela señal ultrasónica, es inversamente propor-cional a la longitud de onda de dicha señal.

Al fijar la frecuencia de ensayo, queda auto-

máticamente definida la longitud de onda. Amenores longitudes de onda, podemosdetectar defectos más pequeños.

En forma resumida, si elegimos altas frecuen-cias estaremos trabajando con bajaslongitudes de onda y podremos detectardefectos más pequeños.

Como ejemplo y a modo estimativo:

• Para metales con tamaño de grano gran-de (por ejemplo, piezas fabricadas porfundición) se emplean frecuencias dehasta 1 MHz.

• Para materiales que tienen tamaño degrano menores (piezas laminadas) seusan frecuencias entre 2 y 12 MHz.

La calibración del equipo se realiza cuando el equipo de ultrasonido ha sidreparado, cuando se cambian palpadorescuando se pasan a ensayar piezas distintaa las que se venían inspeccionando o ecircunstancias similares. Para realizar lcalibración se emplean bloques patrón

piezas que tienen discontinuidades (agujeros, partes curvas, escalones) que hacenlas veces de defectos; los bloques patrónse pueden considerar, así, como piezaque tienen defectos patrón.

Estos bloques patrón están normalizados ensus dimensiones, formas y materiales.

Entre las distintas calibraciones a efectuarencontramos la calibración de distancia(linealidad horizontal). Con esta calibraciónnos aseguramos que los ecos de fondo, producidos por el bloque patrón, aparezcandistribuidos correctamente en la pantalla deosciloscopio; por lo tanto, podemos conoce

a qué distancia se encuentran los defectos enla pieza real a ensayar.

Otra calibración importante es la linealidavertical. Esta calibración permite asegurar qula amplitud de los ecos es la correcta y, así, tendremos indicios de las dimensiones de ladiscontinuidades en la pieza real a ensayar.

Esquema de dos bloques patrón



Otras posibles calibraciones a efectuarempleando los bloques patrones son: calibra-ción de distancias con palpadores angulares,y control de sensibilidad con palpadores nor-

males o angulares.

También existen bloques patrón para calibrar eequipo cuando empleamos palpadores dobles.

Ensayos radiográficos

Los rayos X son ondas electromagnéticas quepueden penetrar los materiales metálicos yno metálicos.

En particular, esta característica sirve

para analizar la estructura cristalina ytambién la macroestructura de las piezasmetálicas.

Los rayos X se producen cuando un filamen

to incandescente emite electrones, los cualeinciden sobre una placa anódica.

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En caso que su escuela disponga del equipode ensayo, es recomendable que los estudi-antes realicen las prácticas que hemospuntualizado.

Puede usted, además, plantear a su grupo:

• Usando el método de transparencia,¿cómo se ven los picos en el osciloscopiocuando tenemos en el interior de la pieza

un defecto pequeño y uno grande? ¿Quéocurre con los picos del osciloscopio, si lapieza está libre de defectos pero el pal-

pador emisor no está perfectamente aline-ado con el palpador receptor?

• Usando el método de reflexión, ¿apareceel pico correspondiente a un defectoparalelo al haz ultrasónico? ¿Se visualizael eco de fondo, cuando el defecto abar-ca todo el ancho del haz ultrasónico?¿Cómo se visualizan los picos correspon-dientes a un pequeño defecto perpen-

dicular al haz ultrasónico y muy cercanoal palpador? Y, ¿si el defecto estu-viese más alejado del palpador?


Esquemade un ensayoradiográfico



Detrás de la pieza a ensayar, se coloca unsobre que contiene una placa; esta placa estáformada por una base de acetato de celulosarevestida con una emulsión sensible a losrayos X.

Entre cada cara de la placa y el sobre, se ubicauna pantalla intensificadora para reforzar elcontraste. Todo este conjunto forma el chasis.

El chasis se pone en contacto con la muestraa radiografiar; luego, se aplica la radiaciónque atraviesa la muestra y llega a la placa sen-sible, produciendo el efecto fotográfico. Unavez finalizada la exposición de la pieza a los

rayos X, la película debe ser revelada.

• Cuando los rayos X atraviesan un mate-rial sin fallas, la película quedaimpresionada en forma uniforme, yaque recibe la misma cantidad de energíaradiante en todas sus partes.

• Cuando se trata de un material con fallas,varía la cantidad de radiación absorbida

por cada sector del material. En las zonasen que la pieza tiene fallas, el materialtiene menor densidad y es atravesadopor mayor cantidad de radiación; en esazona, la película queda más impresiona-da y más oscuro el tono respectivo.

Para determinar el tiempo de exposición dela pieza a los rayos X, se utilizan gráficos pro-vistos por el fabricante de las películas.

Los indicadores de calidad de imagen sonalambres o plaquetas del mismo material queel objeto a radiografiar y con espesores querepresentan el 1 %, 2 %, 3 %, etc. del espe-sor máximo del objeto a radiografiar.

El indicador se coloca en la superficie deobjeto que enfrenta a los rayos X y en eextremo más lejano.

El espesor del alambre más delgado visiblen la placa revelada, permite evaluar la cali

dad obtenida mediante el siguiente índice:

Se deduce que cuanto menor es el valor del índice de calidad, mejor es la radiografía obtenida.

La radiografía es una técnica que tiene gra

aplicación en el control de soldaduras (tuberías y recipientes a presión) como también enla construcción de puentes metálicos.

Para efectuar radiografías, existen instalaciones fijas y equipos móviles.

A título informativo, es interesante conocer que, además de usar rayos X, existe l

posibilidad de usar rayos gamma –provenientes de la fisión de elementoradiactivos–. En este caso, habremos realizado una gammagrafía.


No es posible realizar el ensayoradiográfico si en la escuela no sedispone del equipo adecuado.

En este caso, le sugerimos que susalumnos consulten bibliografía y/obusquen información de fabri-cantes de estos equipos, paraintegrar más conocimientos.



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• Askeland, Donald (2003) Ciencia e ingeniería de los materiales. InternationalThomson. México.

• Bokshtein, B. S. (1980) Difusión en metales. Mir. Moscú.

• Cabrera Manero J. M.; Maspoch Rulduà M. L.; Llanes Pitarch L. M.; SalánBallesteros M. N. (2002) Materiales en ingeniería. Problemas resueltos. Gil Mur F. J.

Alfaomega - UPC. México.

• Davis, H. E.; Troxell, G. E.; Wiskocil, C. W. (1981) Ensayo e inspección de los mate-riales de ingeniería. Continental. México.

• González Arias, Antonio (1987) Laboratorio de ensayos industriales. Ultrasonido.Litenia. Buenos Aires.

• González Arias, Antonio (1995) Laboratorio de ensayos industriales. Metales.Litenia. Buenos Aires.

• Helfgot, Aarón (1979) Ensayo de los materiales. Kapelusz. Madrid.

• McKelvey, J. P. (1994) Física del estado sólido y de semiconductores. Limusa. México.

• Norton, Robert (1999) Diseño de máquinas. Prentice Hall. México.

• Shackelford, James (1995) Ciencia de materiales para ingenieros. Prentice Hall.México.

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Bibliografía

M FyE Mat Metalicos-Output

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