Trabajo :Propiedades mecánicas de los Materiales

TEMA: Dureza de los materiales Curso:

Procesos de Manufacturas Profesora :

Mg.Ing.Elizabeth Fernández G.

Objetivo General

1.Interpretar la dureza como una propiedad mecánica que mide la resistencia a ser penetrado

Conocer los diferentes métodos y ensayos para medir la dureza con sus respectivas escalas de dureza(Brinell,Rockwell,Vickers)Medir la dureza de algunos de los materiales mas usados como: el acero, aluminio, bronce y cobre y comprobar experimental mente por que el acero es el material mas usado en construcción y estructuras metálicasDiferenciar un ensayo destructivo de un ensayo no destructivoEntender el concepto de micro dureza, así como, sus métodos y escalas 

Objetivos Especificos

Dureza La dureza es la oposición que ofrecen los

materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar.

Pruebas de dureza

Es común utilizar pruebas de dureza para el evaluar las propiedades del material las conocidas son

Prueba de Brinellla prueba consiste de aplicar una fuerza

constante sobre un acero endurecido de 10 mm de diámetro

Dureza Brinell: una escala de medición de la dureza de un material mediante el método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar. Fue propuesto por el ingeniero sueco Johan August Brinell en1900, siendo el método de dureza más antiguo.

Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El indentador o penetrador usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno.

La carga a utilizar en el ensayo se puede obtener con la siguiente expresión:

P : carga a utilizar medida en [kilopondio(kp)].

K: constante para cada material, que puede valer 1 (Madera), 5 (aluminio, cobre y sus aleaciones), 10 (magnesio y sus aleaciones), y 30 (aceros).

D : diámetro de la bola (indentador) medida en [mm].

Fórmula aplicadaPara determinar el valor de la dureza Brinell

se emplea la siguiente ecuación:

: carga a utilizar medida en kp. : diámetro de la bola (indentador) medida en

[mm]. :diámetro de la huella en superficie en

[mm] (se toma como la media de d1 y d2).

La dureza Rockwell o ensayo de dureza Rockwell es un método para determinar la dureza, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de dureza Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar prácticamente cualquier metal o aleación

Prueba de dureza de Rockwell

Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.

Dureza Vickers, llamado el ensayo universal, es un método para medir la dureza de los materiales. Sus cargas van de 5 a 125 kilopondios (de cinco en cinco). Su penetrador es una pirámide de diamante con un ángulo base de 136°.

Se emplea para láminas delgadas hasta 0,15 mm (0.006 milésimas de pulgada.) y no se lee directamente en la máquina. Para determinar el número de dureza se aplica la siguiente fórmula:

Prueba de dureza de Vickers

FORMULA:

Este ensayo constituye una mejora al ensayo de dureza Brinell. Se presiona el indentador contra una probeta, bajo cargas más ligeras que las utilizadas en el ensayo Brinell. Se miden las diagonales de la impresión cuadrada y se halla el promedio para aplicar la fórmula antes mencionada.

Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2 mm de espesor

Donde las unidades son:Kp/mm  Kp

Ejemplos de dureza Vickers (HV) para varios materiales1

Material Valor

316L Acero inoxidable (USA) 140HV30

347L Acero inoxidable (USA) 180HV30

Acero al carbono 55–120HV5

Hierro 30–80HV5

donde F = carga aplicada, kg, y D = diagonal de la impresión hecha por el indentador, mm,

como se indica en la figura 3.14c). La prueba de Vickers se utiliza para todos los metales y

tiene una de las escalas más amplias entre las pruebas de dureza

Dureza de Knoop:

La prueba consiste en presionar en un punto con un diamante piramidal sobre la superficie pulida del material a probar con una fuerza conocida, para un tiempo de empuje determinado, y la hendidura resultante se mide usando un microscopio.

La geometría de esta marca es una pirámide ancha con una relación entre la anchura y la altura media de 7:1 y con los ángulos de las caras respectivas de 172 grados para el el borde largo y 130 grados para el borde corto.

FORMULA

Donde:L = longitud de la hendidura en su eje largoCp = factor de corrección relativo a la forma

de la hendidura, idealmente 0.070279P = carga

Dureza Shore  Emplea un escleroscopio. Se deja caer un

indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote -> mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración como los otros.

Dureza Wesbter Emplea máquinas manuales en la medición,

siendo apto para piezas de difícil manejo como perfiles largos extruidos El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell.

Metal Dureza de brinell HD Dureza de rockwell

Aluminio recocido 20

Aluminio trabajado en frio

35

Aleaciones de aluminio, templadas

40

Aleaciones de aluminio, Endurecido

90 52b

Aleaciones de aluminio, coladas

80 44b

Hierro colado, gris, como fundición

175 10c

Cobre templado 45

Aleación de cobre: latón, templado

100 60b

Plomo 4

Dureza normal de metales seleccionados.

Material Dureza vickers HV Dureza de Knoop HK

Acero endurecido para herramientas

800 850

Carburo cementado 2000 1400

Aluminia Al2O3

2200 1500

Carburo tungsteno 2600 1900

Carburo de silicio 2600 1900

Nitruro de titanio TiN

3000 2300

Carburo de titanio TiC

3200 2500

Nitruro cubico de boro BN

6000 4000

Diamante poli cristal sintetizado

7000 5000

Dureza de cerámicas seleccionadas y otros materiales duros, listados en orden ascendente de dureza.

DUREZA EN LOS CERAMICOSESTRUCTURAS DE LAS CERÁMICASSe caracterizan por tener enlace covalente y

iónico, más fuerte que el enlace metálico y son la causa de su dureza y tenacidad, la forma de sujeción de los electrones en las moléculas de estos elementos hacen que sean conductores pobres.

Los fuertes enlaces dotan a estos materiales de altas temperaturas de fusión.

Tienen estructura cristalina mas compleja que la de los materiales metálicos.

Hay varias razones para esto:1. Con átomos de diferente tamaños.2. Las fuerzas iónicas son también diferentes

para cada material cerámico (sílice diferente del aluminio).

3. Unión de más de dos elementos

PROPIEDADES MECÁNICASLos materiales cerámicos deberían ser mas

resistentes que los materiales metálicos pero su fina estructura de sus enlaces evitan que hayan deslizamientos, mecanismo base para un deformación clásica.

Los materiales cerámicos al igual que los metales, tienen las mismas imperfecciones cristalinas (vacantes, átomos desacomodados, pequeñas fisuras y grietas), todo eso tiende a concentrar esfuerzos y el material metálico falla por fractura.

PROPIEDADES FÍSICAS- Pesan menos que los metales, pero más que

los polímeros.- Baja conductividad eléctrica.- Baja conductividad térmica.- Baja expansión y fallas térmicas.

NUEVOS MATERIALES CERÁMICOSOxidos cerámicos: El más importante es la

alúmina, se saca de la bauxita pero a través de un horno eléctrico, baja conductividad térmica y resistencia a la corrosión, buena dureza en caliente.

Se usa para abrasivos, y cerámicas aislantes (Bujías).

Carburos: Se usan para herramientas WC (carburo de tungsteno)TiC (carburo de titanio)TaC (carburo de tantalio)

Se caracterizan por su dureza y resistencia al desgaste. La fuente usual del carbono para estas reacciones es el carbón de humo.

Nitruros:1. Nitruros de silicio: motores de cohetes, crisoles

para hornos.2. Nitruros de boro: Tienen una dureza similar al

diamante pero no compite como herramienta (muy costoso).

3. Nitruros de titanio: es conductor de la electricidad y se usa para recubrir superficies de herramientas, tiene alta dureza y resistencia al desgaste.

4. Sialón: similitud en propiedad con el silicio pero con mejor resistencia a la oxidación y a las altas temperaturas.

5. Vidrio: se conoce desde hace mas de 4000 años A.C.; tiene una estructura amorfa y adquiere su estado vítreo cuando se ha dado un tiempo insuficiente durante el enfriamiento desde la fundición para permitir que se forme una estructura cristalina.

LOS POLIMEROSSegún sus propiedades mecánicas:

Resistencia*, dureza* y elongación*Un polímero puede ser resistente a la

compresión o al estiramiento, es decir, puede soportar golpes sin perder su forma o no estirarse con facilidad, respectivamente. También hay ciertos polímeros que son resistente al impacto, y por tanto no se destruyen al golpearlos; a su vez hay otros que presentan resistencia a la flexión: los doblamos con facilidad; y finalmente podemos encontrar resistencia a la torsión, que son los que recuperan su forma luego de haberlos torcido.

MATERIALES COMPUESTOSMateriales Compuestos reforzados con

partículas.Están compuestos por partículas de un material

duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil

Tipos: Compuestos endurecidos por dispersión Compuestos con partículas propiamente dichas Compuestos endurecidos por dispersión El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100 i 2500 μ). A temperaturas normales, estos compuestos no resultan más resistentes que las aleaciones, pero su resistencia disminuye con el aumento de la tempertura. Su resistencia a la termofluencia es superior a la de los metales y aleaciones.

Sus principales propiedades son:La fase es generalmente un óxido duro y

estable.El agente debe tener propiedades físicas

óptimas.No deben reaccionar químicamente el agente

y la fase.Deben unirse correctamente los materiales.

Materiales Compuestos reforzados con fibras.

Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adición a las fibras.

Materiales compuestos estructurales.Panel sandwich con núcleo en forma de

panal.Están formados tanto por compuestos como

por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más abundantes son los laminares y los llamados paneles sandwich.

Ejemplos de materiales compuestosPlásticos reforzados con fibra:

Clasificados por el tipo de fibra: Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina

y hemicelulosa) Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP o Plástico reforzado con vidrio (GRP, GFRP o,

informalmente, "fibra de vidrio")Clasificados por la matriz:

Termoplásticos reforzados por fibra larga. Termoplásticos tejidos de vidrio. Compuestos termoformados o termoestables.

Compuestos de matriz metálica o MMCs:Cermet (cerámica y metal).Fundición blanca.

Metal duro (carburo en matriz metálica)Laminado metal-intermetal.

Compuestos de matriz cerámica:Hormigón/ConcretoCarbono-carbono reforzado (fibra de carbono

en matriz de grafito).Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de

colágeno)Adobe (barro y paja)

Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámicoMadreperla o nácarConcreto asfáltico

Madera mejoradaContrachapadoTableros de fibra orientada (OSB).TrexWeatherbest (fibra de madera reciclada en

matriz de polietileno)Pycrete (aserrín en matriz de hielo)

 

CONCLUSIONES1. El ensayo Rockwell es uno de los mas utilizados, porque no

constituye una gran perdida de material, incluso es posible reutilizar la pieza.

2. Este tipo de ensayo es fácil de llevar a cabo, porque no implica mayores cálculos matemáticos y el resultado de cada ensayo se obtiene de la directa lectura del dial.

3. El ensayo Rockwell es de amplia aplicación pues se puede utilizar tanto en materiales duros como blandos.

4. Se conoció y aprendió a utilizar una máquina de dureza Rockwell.

5. Se logró determinar la dureza Rockwell en la escala C , en los materiales seleccionados en laboratorio.