Tema: Laboratorio de ciencias de los materiales

OBJETIVO.

Ayudar a incrementar los conocimientos de los estudiantes de ingeniería mecánica de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo en el área de laboratorio de ciencias de los materiales.

RESUMEN.

Dispone de la infraestructura tecnológica necesaria para el análisis y constitución de los diferentes materiales usados en la industria, así como el banco de pruebas universales para el desarrollo de ensayos destructivos, tracción, compresión, torsión y corte, mediante procesos computarizados que garantizan la fiabilidad de los resultados.

En el laboratorio de ciencia de materiales se determina las características y propiedades de los materiales utilizando los equipos de laboratorio, se realizan tratamientos térmicos, y procesos demostrativos de fundición.

Laboratorio consta de 3 áreas: Área de metalografía (banco de preparación de muestras, microscopio). Área de tratamientos térmicos y fundición (hornos). Área de ensayos no destructivos (equipos y materiales fungibles).

ACTIVIDADES QUE SE REALIZAN:DOCENCIA: Prácticas de laboratorio de ciencia de materiales I y II. Prácticas de laboratorio de fundición. Prácticas de laboratorio tratamientos térmicos. Prácticas de laboratorio para caracterización de materiales.

PRESTACION DE SERVICIOS: Caracterización metalográfica de materiales metálicos ferrosos y no ferrosos. Determinación de tamaño de grano. Ensayos no destructivos, métodos de líquidos penetrantes y partículas

magnéticas. Tratamientos térmicos (temple, recocido, revenido y normalizado). Ensayo de micro dureza la knoop.

El ensayo de tracción' o ensayo a la tensión de un material consiste en someter a

una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se

produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a

una fuerza estática o aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en un

ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas (ε = 10–4 a 10–2 s–1).

Máquina para ensayo de tracción por computadora.

En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los

materiales elásticos:

Módulo de elasticidad o Módulo de Young, que cuantifica la proporcionalidad

anterior. Es el resultado de dividir la tensión por la deformación unitaria, dentro

de la región elástica de un diagrama esfuerzo-deformación.

Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razón entre el alargamiento

longitudinal y el acortamiento de las longitudes transversales a la dirección de

la fuerza.

Límite de proporcionalidad: valor de la tensión por debajo de la cual el

alargamiento es proporcional a la carga aplicada.

Límite de fluencia o límite elástico aparente: valor de la tensión que soporta la

probeta en el momento de producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia.

Este fenómeno tiene lugar en la zona de transición entre las deformaciones

elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la

deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.

Límite elástico (límite elástico convencional o práctico): valor de la tensión a la

que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.) en

función del extensómetro empleado. Es la máxima tensión aplicable sin que se

produzcan deformaciones permanentes en el material.

Carga de rotura o resistencia a tracción: carga máxima resistida por la probeta

dividida por la sección inicial de la probeta.

Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la probeta. Se

mide entre dos puntos cuya posición está normalizada y se expresa en tanto

por ciento.

Estricción: es la reducción de la sección que se produce en la zona de la

rotura.

Normalmente, el límite de proporcionalidad no suele determinarse ya que carece

de interés para los cálculos. Tampoco se calcula el Módulo de Young, ya que éste

es característico del material; así, todos los aceros tienen el mismo módulo de

elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes.

Probeta de cobre durante el ensayo de tracción.

 

Probeta de cobre fracturada después del ensayo de tracción.

Curva tensión-deformación.

Gráfica obtenida por computadora en el ensayo de tensión.

Diagrama de tensión–deformación típico de un acero de bajo límite de fluencia.

En el ensayo se mide la deformación (alargamiento) de la probeta entre dos

puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se

representa gráficamente en función de la tensión (carga aplicada dividida por la

sección de la probeta). En general, la curva tensión-deformación así obtenida

presenta cuatro zonas diferenciadas:

1. Deformaciones elásticas: Las deformaciones se reparten a lo largo de la

probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la

probeta recuperaría su forma inicial. El coeficiente de proporcionalidad

entre la tensión y la deformación se denomina módulo de elasticidad o de

Young y es característico del material. Así, todos los aceros tienen el

mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy

diferentes. La tensión más elevada que se alcanza en esta región se

denomina límite de fluencia y es el que marca la aparición de este

fenómeno. Pueden existir dos zonas de deformación elástica, la primera

recta y la segunda curva, siendo el límite de proporcionalidad el valor de la

tensión que marca la transición entre ambas. Generalmente, este último

valor carece de interés práctico y se define entonces un límite elástico

(convencional o práctico) como aquél para el que se produce un

alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.). Se obtiene

trazando una recta paralela al tramo proporcional (recto) con una

deformación inicial igual a la convencional.

2. Fluencia o cedencia. Es la deformación brusca de la probeta sin incremento

de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas

o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina

impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se

deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se logra liberar las

dislocaciones produciéndose la deformación bruscamente. La deformación

en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta

pero concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las

dislocaciones (bandas de Lüders). No todos los materiales presentan este

fenómeno, en cuyo caso la transición entre la deformación elástica y

plástica del material no se aprecia de forma clara.

3. Deformaciones plásticas: si se retira la carga aplicada en dicha zona, la

probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando deformada

permanentemente. Las deformaciones en esta región son más acusadas

que en la zona elástica.

4. Estricción. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran

en la parte central de la probeta apreciándose una acusada reducción de la

sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones

continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por esa zona. La

estricción es la responsable del descenso de la curva tensión-deformación;

realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que

se representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente hasta el

comienzo de la estricción) entre la sección inicial: cuando se produce la

estricción la sección disminuye (y por tanto también la fuerza necesaria),

disminución de sección que no se tiene en cuenta en la representación

gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones

plásticas significativas, rompiéndose la probeta de forma brusca.

Terminado el ensayo se determina la carga de rotura, carga última o

resistencia a la tracción: la máxima resistida por la probeta dividida por su

sección inicial, el alargamiento en (%) y la estricción en la zona de la

rotura.

Otras características que pueden caracterizarse mediante el ensayo de tracción

son la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, las energías elásticas y

totales absorbidas y que vienen representadas por el área comprendida bajo la

curva tensión-deformación hasta el límite elástico en el primer caso y hasta la

rotura en el segundo.

Ensayo de compresión

Ensayo de compresión de una probeta cilíndrica de hormigón.

La misma probeta después de la rotura a compresión.

En ingeniería, el ensayo de compresión es un ensayo técnico para determinar la resistencia de un material o su deformación ante un esfuerzo de compresión. En la mayoría de los casos se realiza con hormigones y metales (sobre todo aceros), aunque puede realizarse sobre cualquier material.

Se suele usar en materiales frágiles.

La resistencia en compresión de todos los materiales siempre es mayor o igual

que en tracción.

Se realiza preparando probetas normalizadas que se someten a compresión en una máquina universal.

DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO DE TORSIÓN

El ensayo de torsión consiste en aplicar un par torsor a una probeta por medio de un dispositivo de carga y medir el ángulo de torsión resultante en el extremo de la probeta. Este ensayo se realiza en el rango de comportamiento linealmente elástico del material.Los resultados del ensayo de torsión resultan útiles para el cálculo de elementos de máquina sometidos a torsión tales como ejes de transmisión, tornillos, resortes de torsión y cigüeñales.Las probetas utilizadas en el ensayo son de sección circular. El esfuerzo cortante producido en la sección transversal de la probeta (t ) y el ángulo de torsión (q ) están dados por las siguientes relaciones:

Angulo de torsión

 ; Donde T: Momento torsor (N.m)C: Distancia desde el eje de la probeta hasta el borde de la sección transversal (m) c = D/2

: Momento polar de inercia de la sección transversal (m4) G: Módulo de rigidez (N/m2)L: Longitud de la probeta (m)

MÁQUINA PARA EL ENSAYO DE TORSIÓN

DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA MÁQUINA:

La máquina de torsión, está destinada a ser usada en los Laboratorios de Ensayo de Materiales, en las Escuelas de Ingeniería Industrial, Civil, Eléctrica, Mecánica, etc.Especificaciones:Nombre: máquina manual para pruebas de torsiónCapacidad: hasta 1,500 kg. - cm.Registro de la carga: electrónico con indicación digital del valor del parVoltaje: 115 VLongitud Máxima de Probeta: 225 mmDiámetro Máximo de Probeta: 9.525 mm (ACERO).Área ocupada en MesaDe Trabajo: 29 cm. * 85 cm.Altura Máxima: 40 cm.Relación del Reductor: 1:60Capacidad del fusible: 0.75 AAceite para el Reductor: SAE-90La máquina consta de una barra (1), que soporta todas las partes de la misma. Las patas ajustables (2), permiten la nivelación de la máquina.Los mandriles (3, 4) son para fijar las probetas. Del lado derecho de la máquina, se tiene un reductor de velocidad, de tornillo sinfín y rueda helicoidal, en cuya fecha de salida está montado un mandril (3). La base del reductor, está fija en la barra (1) y fijarlo, si se desea, en cualquier punto con la palanca (6) y la cuña (7).El transportador (8) mide aproximadamente los ángulos totales de torsión de la probeta.

El volante (9) montado en la flecha de entrada del reductor, permite aplicar el par de torsión.Del lado izquierdo de la máquina, se tiene el cabezal con el otro mandril (4) y el sistema electrónico de registro. Este sistema de registro, emplea como transductor una celda de carga (10) unida al mandril (4) mediante un eje (11), montado sobre baleros (12) para reducir al mínimo la fricción.La cubierta (13) contiene también las partes electrónicas del sistema de registro de la carga. En el display (14) se puede leer el valor del par aplicado a la probeta en kg. - cm.En el lateral derecho, se tiene un interruptor para encender/apagar la máquina (15). En la parte trasera, el fusible de protección (16) y la clavija para conectar la máquina en 115 V. (17).Finalmente, en el lateral derecho del cabezal, se encuentra el ajustador a cero del sistema (18).INSTALACIÓN.La máquina puede quedar convenientemente instalada sobre una mesa firme. No requiere anclaje, pero si conviene tener cerca un contacto de 115 V./60 HZ.El equipo se suministra sin aceite en el reductor, por lo que es conveniente ponerle el necesario de (SAE-90).ACCESORIOS.La máquina se complementa con un "TORSIOMETRO" que permite medir ángulos directamente sobre la probeta.OPERACIÓN DE LA MÁQUINA.La probeta se coloca entre las mordazas. Se ajusta primero el mandril del lado del cabezal de medición (4) y luego girando el volante (9) se alinean el mandril opuesto (3) y se aprieta.Se hace girar el transportador (8) para ponerlo en la posición de cero.Se enciende la maquina unos 15 minutos antes de empezar a usarla, para permitir que el registrador electrónico entre en régimen.Al encender la máquina, se verá iluminada la pantalla (14). La máquina está lista para aplicar carga a la probeta, lo cual se hace girando el volante (9). Hay que tener en cuenta que una vuelta del volante, corresponde a 6º de torsión de la probeta.Es conveniente aplicar la carga de incrementos de torsión de la probeta de 0.2 a 1.0 grados, por cada incremento, según el material de que se trate.Sugerencia para incremento de deformación para distintos materiales:

MATERIALINCREMENTOGRADOS

Acero al C. 0.15 %Acero al C. 0.15 % NormalizadoAcero al C. 0.4 %Acero al C. 0.4 % NormalizadoHierro VaciadoLatónAluminio

0.50.20.50.40.50.51.0

El par de torsión se transmite a la probeta y de ésta al sistema electrónico de medición que muestra en la pantalla (14) el valor del par de torsión en kg. - cm.El ángulo de torsión aproximado para toda la longitud de la probeta, se puede ver en el transportador (8).

Las balanzas de torsión, están construidas para calcular las fuerzas eléctricas, magnéticas o gravitatorias muy pequeñas a partir del ángulo que forma un brazo al girar, antes de que la resistencia ejercida por la fuerza de torsión detenga su movimiento. Fue diseñada originalmente por el geólogo británico John Michelle, y mejorada por el químico y físico de la misma nacionalidad Henry Cavendish. El instrumento fue inventado de forma independiente por el físico francés Charles de Coulomb, que lo empleó para medir la atracción eléctrica y magnética.Una balanza de torsión está formada por dos esferas pequeñas, que suelen tener una masa del orden de 1 g y van unidas a los extremos de una varilla horizontal suspendida por su centro de un alambre fino o, en los experimentos más recientes, de una fibra de cuarzo. Si, por ejemplo, se colocan dos esferas grandes de plomo junto a las esferas de la balanza, pero en lados opuestos, las esferas de la balanza se verán atraídas por las esferas grandes y el alambre o la fibra experimentarán una torsión. El grado de torsión se mide a través del movimiento de un rayo de luz reflejado por la varilla sobre una escala. Esto permite hallar la fuerza gravitacional entre las dos masas.

El vernier, conocido también como pie de rey, consiste usualmente en una regla fija de 12 cm. con precisión de un milímetro, sobre la cual se desplaza otra regla móvil o reglilla. La reglilla graduada del vernier divide 9mm en 20 partes iguales de manera que pueden efectuarse lecturas con una precisión de un vigésimo de milímetro.La precisión de estos instrumentos depende mucho de la calidad y estado del instrumento en sí; por ejemplo, hay verniers que son precisos hasta los milésimos de una pulgada (.001"), cuando otros son aun más precisos (.0005").La medida se lee en decimales de pulgada o de unidades métricas; algunos presentan ambas unidades.A parte de los vernieres quizás más conocidos, están los que se pueden considerar como "digitales", si es que muestran la medida en una pantalla.Existen los que son de una longitud y alcance de 4". Quizá más comunes son los de 6", pero también los hay de 12".Este instrumento es versátil por su diseño, pues permite medir en distintas formas.

MATERIALES Y EQUIPOS

1. Máquina para ensayo de torsión2. Extensómetro3. Vernier

4. ProbetasPROCEDIMIENTO1. Medir el diámetro de la probeta.2. Fijar la probeta a las mordazas fijas y móviles de la máquina de torsión, ajustándola con los tornillos de fijación.3. Montar el extensómetro y calibrarlo en cero.4. Aplicar una carga.5. Leer el ángulo de torsión correspondiente y registrar el valor en la tabla 22.6. Repetir el procedimiento con distintos valores de carga.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Podemos ver que el módulo de rigidez hallado comprende los resultados esperados, además pudimos Estudiar las características de la fractura por torsión en materiales dúctiles y frágiles. Y determinar la relación entre momento torsor y deformación angular para los materiales ensayados. También que La deformación plástica alcanzable con este tipo de ensayos es mucho mayor que en los de tracción (estricción) o en los de compresión.

Anexos

Conclusiones

Pudimos reconocer y aplicar nuevos ensayos muy útil para nuestra vida como futuros ingenieros, también hemos reconocido el funcionamiento y manejo de las máquinas del laboratorio de ciencias de los materiales.Con el desarrollo de esta práctica podremos reconocer, describir y comprender la estructura de materiales empleados en los trabajos de laboratorio. También podremos identificar por el nombre, clasificar y señalar los usos y funciones de cada uno de ellos.

Recomendaciones

Es necesario utilizar una bata de laboratorio; la misma protege tu ropa y tu piel del contacto con reactivos.Un par de guantes para cuando sea necesario tocar algún instrumento que se haya expuesto a una llama.

Tomar todas las precauciones necesarias al momento de tocar una sustancia en el laboratorio.

Los equipos de laboratorio son costosos y de uso delicado. Es necesario que aprendamos a usarlos adecuadamente, siguiendo paso a paso las instrucciones dadas por tu maestro. Al terminar cualquier experimento todos los instrumentos deben quedar limpios y en el lugar destinados para ellos.