INDICE
1.- Introducción.—————————————————————— 3
2.- Propiedades de los materiales——————————————– 3
2.1.- Generalidades————————————————————– 3
2.2.- Propiedades Organolépticas——————————————– 4
A.- Aspecto exterior————————————————————- 4
B.- Color—————————————————————————- 4
C.- Fractura————————————————————————- 5
D.- Homogeneidad————————————————————— 5
2.3.- Propiedades Físicas——————————————————- 5
A.- Estructura———————————————————————- 5
B.- Densidad ———————————————————————- 6
C.- Peso específico ————————————————————– 7
D.- Porosidad y Compacidad ————————————————- 8
E.- Absorción y Permeabilidad ———————————————– 8
F.- Propiedades Térmicas —————————————————– 10
G.- Propiedades Eléctricas —————————————————- 12
H.- Propiedades Mecánicas ————————————————— 13
2.4.- Propiedades químicas—————————————————- 15
3.- Técnicas de medidas y Ensayo de propiedades ——————— 17
3.1.- Clasificación y tipos de ensayo—————————————- 17
3.2.- Deformaciones elásticas y plásticas ——————————— 18
3.3.- Esfuerzo y deformación ————————————————- 18
3.4.- Ensayo de tracción ——————————————————- 20
3.4.1.- Máquinas de tracción ————————————————– 20
3.4.2.- Análisis de un diagrama de tracción——————————- 20
3.5.- Ley de Hooke————————————————————— 23
3.5.1.- Aplicación de la Ley de Hooke al ensayo de tracción. ———23
3.6.- Ensayo de Dureza ——————————————————— 25
3.6.1. Ensayos de dureza al rayado———————————————- 25
3.7.- Ensayo dinámico por choque. ensayo de resilencia.————– 29
3.8.- Ensayo de Fatiga———————————————————– 30
3.9.- Ensayo de Termofluencia———————————————— 30
3.10.- Ensayo de Cizalladura————————————————– 30
3.11.- Ensayos Tecnológicos————————————————– 31
3.12.- Ensayos de defectos—————————————————– 31
4.- Esquema resumen———————————————————— 33
5.- Bibliografía——————————————————————– 37
1.- INTRODUCCIÓN.
Con un poco de experiencia al observar un determinada pieza de un material con un cierto detenimiento o al ver simplemente su color nos valdría para determinar si ese material es un acero o fundición, es de aluminio o de aleaciones ligeras, está pintado o niquelado y si ese material se ha obtenido de forma mecánica, por fusión, etc.
Pero con solo esta información no podemos saber todas las propiedades del material con que está fabricada una determinada pieza. Para la elección de un determinado material, que va a estar destinado a prestar un servicio, es necesario conocer todas las características técnicas del mismo, de tal forma que cualquier deformación que se produzca no sea excesiva y cause una rotura. Para conocerlas hay que recurrir a procedimientos más complejos que es lo que englobaremos en los llamados ensayos de materiales.
La importancia de los ensayos en los materiales es enorme, ya que permiten elegir con seguridad el material o materiales más idóneos para cumplir un fin determinado, evaluando en los distintos ensayos entre otras cosas: las características físicas y químicas del material; la aptitud del material para deformarse o soldarse y la resistencia o capacidad para satisfacer las exigencias mecánicas y acciones exteriores a las que se pueden ver sometidos.
2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.
2.1.- GENERALIDADES.
Definimos las propiedades de un material, como las características de las reacciones ante acciones exteriores que tienden a alterar su equilibrio. Todos los materiales gozan de todas las propiedades, aunque en la práctica se dice que un material tiene una determinada propiedad cuando la calidad de dicha propiedad es en él superior a cierto límite, arbitrario y variable, según la utilización que se pretenda hacer con ella.
Las características de los materiales pueden manifestarse espontáneamente, es decir, sin intervención de agentes exteriores, o por la actuación de dichos agentes. En el primer caso tenemos las propiedades intrínsecas del material; como son el peso específico, el volumen, la configuración cristalográfica, etc. En el caso de que las propiedades se manifiesten al actuar una causa exterior en el material, se puede producir esta manifestación de dos formas distintas: ya sea dependiendo exclusivamente de la condición del material, siendo constante en él, y sin que sea influyente la intensidad del agente, como sucede en la conductividad térmica o eléctrica, o bien influyendo el material y el agente, como son la resistencia y durabilidad.
Las propiedades de los materiales pueden clasificarse en tres grandes grupos: organolépticas, físicas y químicas.
1. Las propiedades organolépticas son aquellas referentes al aspecto, color, tamaño y demás circunstancias que puedan apreciarse por el simple ejercicio de los sentidos, o con el auxilio de útiles sencillos.
2. Las propiedades físicas son aquellas que se relacionan con las actuaciones de los agentes físicos, como son el peso, el volumen, el peso específico, etc., mereciendo especial atención las propiedades que se refieren a la capacidad de resistencia del cuerpo a las fuerzas, de mucha importancia en el ramo de la construcción.
3. Las propiedades químicas dependientes de la composición íntima del material, se refieren a su reacción con el medio que los rodea, cobrando máxima importancia en algunos materiales, su resistencia a la corrosión.
Como antes se ha dicho, todo material tiene unas propiedades dominantes, y para evaluar comparativamente con un patrón la intensidad de las mismas, es preciso recurrir a una determinada prueba que recibe el nombre de ensayos; los cuales están clasificados por normas estrictas que indican por la expresión de un número, la calidad de esa propiedad. Este número carece de significación si no se indica el tipo de ensayo realizado.
2.2.- PROPIEDADES ORGANOLEPTICAS.
Como ya se ha dicho son aquellas que se aprecian con la simple aplicación de los sentidos o con la ayuda de utensilios simples. Las propiedades organolépticos de los materiales más importantes son:
A.-) ASPECTO EXTERIOR
Es la primera impresión que produce la contemplación del material que nos permite apreciar su forma, sus dimensiones y sus imperfecciones, comprobando los caracteres geométricos que dan forma exterior al material, es decir, sus huecos y sus superficies, así como la correcta abertura de ángulos, para aceptar o rechazar según el cumplimento de las correspondientes normas con las tolerancias que expresamente fijan éstas.
B.-) COLOR
Los cuerpos en sí no tienen coloración alguna, sino una mayor o menor capacidad de reflexión de uno o varios de los 7 colores primitivos del espectro solar.
El color en los materiales se corresponde con el de sus componentes esenciales y con la proporción de cada uno de ellos. El color es indicio de una buena composición y de un adecuado proceso de fabricación, ya que en muchos materiales la tonalidad final no es la misma que la de sus materiales primitivos, puesto que durante la fabricación se han podido realizar reacciones químicas que dan una materia distinta a la de sus componentes, con lo cual la presencia dentro del conjunto de zonas de entonación diferentes del resto del material, puede indicar una defectuosa preparación del mismo.
Esta propiedad tiene una indiscutible importancia para aquellos materiales que han de quedar a la vista en una determinada obra, pero no debe desdeñarse su trascendencia para aquellos otros que vayan a quedar ocultos, debido a la significación que la uniformidad del color tiene en la bondad del material.
C.-) FRACTURA
Al romper un material se puede observar los dos trozos en que queda dividido, lo cual nos da un idea primaria de su uniformidad y cohesión. El aspecto de la fractura y el de sus bordes está íntimamente ligado a la estructura del material y con su homogeneidad. Esta fractura puede ser plana, astillosa, ondulada, hojosa, etc.
D.-) HOMOGENEIDAD
Se dice que un material es homogéneo cuando tiene constitución uniforme en toda su masa, pudiendo apreciarse por lo general por simple observación. Esta propiedad es muy importante para decidir el empleo de un material en la construcción de una determinada obra, aunque no sea lo que pudiéramos llamar una cualidad primordial para cualquier caso, ya que puede haber determinados defectos que sin alterar el carácter de uniformidad del material en su consideración tal, perjudique su resistencia. Estos defectos son:
· Grietas o pelos, es decir, fisuras muy pequeñas que pueden estar llenas de un material más blando que el resto.
· Coqueras o cavidades, incluidas dentro de su masa llenas de aire o de material blando.
· Nódulos o granos, de material más duro incrustados en la masa.
2.3.- PROPIEDADES FÍSICAS.
Son las relacionadas con su peso, volumen, configuración cristalográfica y comportamiento ante agentes físicos, como puede ser la electricidad, el magnetismo, el calor, el sonido…..
A.-) ESTRUCTURA:
Debido a los distintos procesos de transformación o de fabricación existe una diferente ordenación de las moléculas; ordenación que produce estructuras también diferentes, las cuales muchas veces se aprecian a simple vista, mientras que en otros casos es preciso utilizar un microscopio.
Hay dos grandes grupos de estructuras: las cristalinas y las vítreas o amorfas.
· La estructura cristalina se caracteriza por la perfecta ordenación de esparcimiento de las moléculas que forman cristales. Según el tamaño de estos cristales, la estructura cristalina puede ser:
1) Macrocristalina: Cuando sus granos son grandes.
2) Microcristalina: Cuando sus granos son pequeños.
3) Criptocristalina: Cuando sus granos solo son visibles con la ayuda del microscopio.
· La estructura vítrea o amorfa es aquella en la que no existe ordenación del edificio molecular, estando constituido el material por elementos generalmente amorfos, aún cuando pudiera existir algún cristal.
Independientemente de la cualidad cristalina o vítrea, las estructuras pueden clasificarse según la distribución de sus componentes en:
1) Compactas: si es de masa homogénea.
2) Granular: formada por granos adheridos entre sí.
3) Porfídica: cuando en la masa de material uniforme, destacan granos de gran tamaño.
4) Estratificada: el material se presenta en bandas o estratos bien diferenciados.
5) Esquistosa: es la estructura estratificada, cuyos estratos son delgados.
6) Clástica: es la producida por la sedimentación de piezas de gran tamaño, pudiéndose distinguir tres tipos:
– Brechiforme: fragmentos angulosos.
– Pudingiforme: fragmentos redondeados.
– Amigdaloidea: fragmentos en forma de almendra.
7) Laminar: cuando es posible exfoliar el cuerpo en láminas delgadas.
8) Escamosa: laminar con láminas de pequeñas dimensiones.
9) Sacaroidea: laminillas brillantes entremezcladas en todas direcciones.
10) Fibrosa: fibras paralelas o radiales.
11) Porosa: estructura que presenta huecos o coqueras en el interior de su masa, pudiendo ser:
– Cavernosas: huecos de gran tamaño.
– Celulares: pequeños y esponjosos, en caso de encontrarse estos poros en la estructura, éstos pueden ser muy tenues y muy numerosos, encontrándose separados por tabiques muy delgados.
B.-) DENSIDAD
Se entiende por densidad de un cuerpo, a la masa contenida en la unidad de volumen. Si designamos la densidad con la letra d, la densidad vendrá dada:
· Si el cuerpo es completamente homogéneo, por el cociente de la masa m del cuerpo y el volumen v que éste ocupa.
· Y en el caso de un cuerpo no homogéneo, se calculará la densidad media tomando volúmenes progresivamente reducidos, llegando en el límite al concepto de densidad en un punto.
Es más frecuente utilizar la densidad relativa respecto al agua, que es el cociente entre la masa m de un volumen determinado de una sustancia y la masa m0 de un volumen igual de agua. Por tanto, la densidad relativa no posee dimensiones y tiene el mismo valor en cualquier sistema.
La densidad absoluta de una sustancia se obtiene, pues, multiplicando su densidad relativa por la absoluta del agua.
C.-)PESO ESPECÍFICO:
Es el cociente entre el peso del material y el volumen que ocupa en el espacio. Cuando se trata de gases es preciso fijar la presión y la temperatura a que se encuentra. En el caso del estado líquido casi nunca se trata de un cuerpo simple, sino que está compuesto cuando menos por dos fases, una de las cuales está formada por partículas sólidas que constituyen la masa del cuerpo, y la otra por líquido o gas. Aunque con mucha frecuencia sucede que existen los tres estados, una fase sólida formada por las partículas del cuerpo, otra en estado líquido constituida por agua y una tercera en estado gaseoso de aire o vapor.
De todo ello se desprende que el volumen ocupado por un cuerpo en el espacio y definido por sus superficies envolventes no está constituido totalmente por partículas sólidas sino que en su interior existe determinado número de poros llenos de aire o humedad absorbida de la atmósfera.
Los poros pueden ser accesibles (ha) o inaccesibles (hi). Los accesibles son aquellos poros del conjunto total que se llenan de agua después de haber tenido el cuerpo sumergido en ella durante 24 horas. Se distinguen, por consiguiente tres volúmenes diferentes: el volumen aparente o envolvente del cuerpo (va); el volumen impermeable o relativo (vr), constituido por la parte sólida y los huecos inaccesibles y finalmente el volumen real o absoluto (vR), formado por la parte sólida del cuerpo, es decir, la diferencia entre el volumen aparente y el ocupado por los poros tanto accesibles como inaccesibles. Por consiguiente podemos definir para cada cuerpo tres pesos específicos diferentes, según el volumen que se tome, ya que cualquiera de los casos el peso de los cuerpos es siempre el mismo puesto que previamente se ha secado para eliminar la humedad absorbida siendo estos pesos:
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1.- Peso específico aparente (da): el volumen considerado es el envolvente o aparente.
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2.- Peso específico relativo (dr): el volumen empleado es el impermeable, o sea, la diferencia entre el envolvente y el de los poros accesibles.
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3.- Peso específico real (dR): es el cociente entre el peso y el volumen de las partículas sólidas, es decir, el volumen aparente menos el volumen de poros, tanto accesibles como inaccesibles.
D.-) POROSIDAD Y COMPACIDAD:
Se define la porosidad como la relación entre el volumen ocupado por los poros del cuerpo y el volumen total envolvente, pudiendo ser absoluta o relativa según se consideren los poros totales o solamente los accesibles.
La forma de expresar ambas porosidades utilizando la misma nomenclatura anterior es:
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La compacidad, tanto absoluta como relativa, es el complemento a uno de la porosidad absoluta o relativa, así:
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Los conceptos de porosidad y compacidad tienen importancia en la posibilidad de absorción del agua y en su cantidad, así como en la resistencia mecánica del material.
El índice de poros, es otra relación entre volúmenes, y es el cociente entre el volumen de poros y el de partes sólidas:
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E.-) ABSORCIÓN Y PERMEABILIDAD:
Todo material poroso puede llegar a llenar todos sus poros de un líquido en el que se encuentra inmerso o de un vapor de agua si se encuentra en una atmósfera de humedad relativa adecuada.
El contenido en humedad de un material se expresa en tanto por ciento respecto al material seco a peso constante, es decir, un peso tal que aunque se continúe la desecación no se rebaja más.
Siendo el peso constante Ps y Ph el peso de la muestra cuya humedad queremos conocer la humedad H se expresa por:
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Cuando el material se sumerge en un líquido, sus poros accesibles se llenarán de ese líquido pasado un cierto tiempo, aumentándose el peso de la muestra en el de los poros llenos de líquido. Esta propiedad de absorber líquidos viene dada por el coeficiente de absorción, que indica el porcentaje en peso de líquido que es capaz de absorber un cuerpo y es característico para cada pareja cuerpo-líquido. Si se llama Ps el peso de cuerpo saturado y Pc el peso en seco hasta peso constante, el coeficiente de absorción viene dado por:
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Hasta ahora hemos visto la absorción de un líquido por un cuerpo poroso inmerso en él, pero pudiera ocurrir que estando ese material simplemente en contacto con ese líquido por una de sus caras, éste penetre y ascienda por la red capilar del cuerpo debido a la tensión superficial del líquido, dependiendo la velocidad de penetración de la intensidad de dicha tensión y del valor del radio medio de la red capilar. Esta propiedad de absorción por capilaridad, tiene una extraordinaria importancia en las arcillas, piedras, ladrillos, etc.
Los materiales insolubles se dividen en permeables e impermeables, según que permitan o no el paso del agua a su través, pudiendo hacerlo en ambos casos por inhibición o sin inhibición.
Por ejemplo: las piedras calizas son materiales permeables sin inhibición, mientras que los ladrillos pueden serlo con inhibición. Los granitos son impermeables, así como las arcillas, los primeros sin inhibición y los segundos con inhibición, ya que al humedecerse aumentan de volumen y cierran los poros de su red capilar.
La permeabilidad de un material crece al aumentar la temperatura así como la diferencia de presión y decrece al aumentar el espesor de la pieza, o al disminuir el radio medio de la red capilar.
La capacidad de absorción de agua tiene gran importancia en la resistencia del material sometido a bajas temperaturas ya que el agua que se encuentra en el interior de los poros se convertirá en hielo cuando la temperatura baje de los ceros grados centígrados, y aumentará su volumen por lo que comprimirá las paredes de separación de los poros y reduce, por esta causa, la resistencia mecánica del material.
Los materiales compactos, es decir, sin poros, o los que no tienen poros accesibles resisten bien el hielo, ya que no absorben el agua. El material poroso no resistirá bien las heladas si el porcentaje de agua que contienen es superior al noventa por ciento del volumen de sus poros accesibles, al tener en cuenta que el aumento del volumen del agua al pasar al estado sólido es del 10 por ciento, aunque en la práctica, debido a las dificultades que existen en la transmisión del agua entre los poros, se reduce aquel valor al ochenta por ciento, es decir, que el volumen de agua absorbida, debe ser menor de 0.8 veces el volumen de los poros accesibles para que el material sea resistente a las heladas.
Los ensayos de resistencia del material a las heladas se realizan sometiéndole a ciclos repetidos de hielo y deshielo, o estudiando la manera de comportarse al introducir una probeta en una solución saturada de sulfato sódico o de magnesio.
F.-) PROPIEDADES TÉRMICAS:
Nuestros sentidos transmiten una sensación que nos permite conocer aproximadamente el nivel térmico de los cuerpos que se denomina temperatura. Al poner en contacto dos cuerpos a diferente temperatura se establece al cabo de cierto tiempo un equilibrio térmico en el cual se nivelan las temperaturas de ambos cuerpos, cediendo calor el que la tiene más elevada y tomándola el otro.
Para poder asignar a cada nivel térmico una manera que lo represente, es necesario disponer de un cero de la escala de temperatura, de una unidad o grado de temperatura, dado que no se puede alcanzar el cero absoluto de temperatura, ha sido preciso recurrir al establecimiento del cero relativo, es decir, a fijar un valor arbitrario a un nivel térmico preferentemente conocido, habiéndose elegido como tal la temperatura de fusión del hielo. Para establecer la unidad se ha fijado así mismo el nivel térmico de ebullición del agua. (Ambos valores han sido elegidos para una presión de una atmósfera).
Con estos valores se establecen dos escalas de temperatura, principalmente, la de CELSIUS y la de FAHRENHEIT. En la primera, estos puntos se señalan con el cero y el cien y por consiguiente se define el grado Celsius o centígrado como la centésima parte entre las temperaturas fijadas de fusión del hielo y ebullición del agua.
FAHRENHEIT sitúa la fusión del hielo a 32 grados y la ebullición del agua a 212 grados, definiendo el grado como la división de este intervalo en 180 partes.
Cuando un cuerpo absorbe calor, su temperatura aumenta a menos que se produzca en el mismo alguna transformación, dependiendo este aumento de la naturaleza del cuerpo y de su masa, así como de la cantidad de calor absorbida. Este fenómeno se mide por medio de la cantidad de calor o caloría, que es la cantidad de calor necesaria para pasar un grama de agua de 14,5 grados a 15,5 grados centígrados.
Ya hemos dicho que el aumento o disminución de la temperatura, independientemente de la cantidad de calor suministrado, está relacionado con la naturaleza y la masa del cuerpo en cuestión, por lo que cada sustancia puede absorber una cierta cantidad de calor proporcional a su peso y a la diferencia de temperatura antes y después de haber suministrado calor. La constante de proporcionalidad se conoce con el nombre de calor específico, y es la cantidad de calor mínima para elevar en un grado centígrado la temperatura de un gramo de materia expresando este calor en calorías.
Al aplicar calor sobre un cuerpo se transmite a toda su masa y al cabo de cierto tiempo ha alcanzado toda ella una determinada temperatura; lo cual se consigue más o menos según la conductividad térmica del material, que es la propiedad que poseen los cuerpos de transmitir, a través de su masa, el flujo térmico resultante de la diferencia de temperatura entre dos puntos del mismo. Esta propiedad tiene especial importancia para los materiales de recubrimiento y particularmente para aquellos cuya misión es mantener el calor en un recinto cerrado, como por ejemplo: una habitación o un horno.
La cantidad de calor que atraviesa una masa es proporcional a su superficie, al tiempo y a la diferencia de temperatura entre sus caras opuestas, e inversamente proporcional a su espesor. A esto se le denomina coeficiente de conductividad térmica.
El coeficiente de conductividad térmica de un material depende en su porosidad, del carácter de los poros, de la naturaleza de la masa sólida, de la humedad, del peso específico del cuerpo y de la temperatura media de transmisión.
En un material poroso el flujo térmico se transmite a través de la materia sólida y de los espacios llenos de aire, por lo que su conductividad estará comprendida entre la de la materia sólida y la del aire, que es muy pequeña y por lo tanto será menor cuanto mayor sea la porosidad del cuerpo. Si los poros estuvieran llenos de agua, la conductividad aumenta, ya que el agua es mejor conductor.
El tamaño de los poros crea igualmente variaciones en el valor de este coeficiente, siendo más elevado cuanto más grande sean los poros, o cuando estén comunicados, ya que de otra forma se crean corrientes de aire que transmiten el calor de convección e incrementan así el valor global del coeficiente.
Los materiales capaces de resistir elevadas temperaturas sin cambiar de estado sin descomponerse y de soportar cambios bruscos de temperatura de denominan refractarios, siendo su composición química muy variable dependiendo del tipo de reacción que se verifique en el terreno en que sea situado. Así, si éste era ácido, los refractarios serán de sílice, si es básico, tendrán un alto porcentaje de alúmina y si es neutra se fabricarán de cromita.
Los productos refractarios están constituidos normalmente por dos fases, una cristalina y otra vítrea, por esta razón no tiene punto de fusión determinado. Tiene gran influencia en el comportamiento de estos materiales su composición, la forma y el tamaño de los cristales y la cantidad existente en cada fase, siendo de mejor calidad cuanta más fase cristalina posea.
El comportamiento de los materiales frente al fuego es muy variable, pudiéndose clasificar desde este punto de vista en:
1.- Incombustibles: Son los que sometidos al fuego o a temperaturas elevadas no se inflaman ni se descomponen. Por ejemplo, el ladrillo y el hormigón tienen una deformación muy pequeña, los metales se deforman en mayor intensidad y las rocas pueden llegar a destruirse por causa de fuerte tensiones intensas.
2.- Autoextinguibles: Son aquellos materiales que se inflaman muy difícilmente pero que se consumen mientras exista la llama y cesando cuando se retira, por ejemplo la resina o una vela.
3.- Combustibles: Se denominan combustibles aquellos materiales que sometidos a fuego o a temperaturas muy elevadas, arden lentamente una vez que se ha retirado la llama que provocó la ignición, tal es el caso de la madera.
4.- Inflamables: Cuando la llama de propaga muy rápidamente por toda la masa de los materiales combustibles, por ejemplo el papel y el celuloide.
G.-) PROPIEDADES ELÉCTRICAS.
Los materiales son un conjunto de partículas cargadas y por esta razón se encuentran afectados por la acción de campos electromagnéticos que producen en ellos tres efectos fundamentales: conductividad, polarización eléctrica y efectos magnéticos.
La conductividad eléctrica es la facilidad con que cada material deja pasar a través de él la electricidad.
La resistencia eléctrica es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional a su sección.
Los materiales, atendiendo a su conductividad se clasifican en:
.- Conductores: constituidos por los metales y sus aleaciones.
.- Semiconductores: son los que se comportan normalmente como aislantes y en determinadas circunstancias dejan de serlo.
.- Aislantes: son en los que a su través es imposible pasar la electricidad y entre los que podemos destacar entre otros las fases cerámicas.
En muchas aplicaciones, el comportamiento eléctrico del material es más crítico que el comportamiento mecánico.
El alambre metálico utilizado para conducir corriente a grandes distancias debe tener una alta conductividad eléctrica de modo que se pierda poca energía por calentamiento del alambre. Los aislantes cerámicos deben impedir que se establezcan arcos eléctricos entre los conductores. Los dispositivos semiconductores utilizados para convertir la energía solar en eléctrica deben ser tan eficientes como sea posible para que las celdas solares sean una fuente alternativa de energía.
Puede controlarse la conductividad eléctrica de un material por el número de portadores de carga existentes en el material, o por la movilidad, o la facilidad de movimiento, de los portadores de carga. Los electrones son los portadores de carga en los conductores, los semiconductores y en los aislantes, mientras que los iones llevan carga en la mayoría de los compuestos iónicos. La movilidad depende del enlace atómico, de las imperfecciones de la red, de la microestructura y, en los compuestos iónicos, de las velocidades de difusión
H.-) PROPIEDADES MECÁNICAS.
Se llama solicitud mecánica a cada uno de los distintos modos de actuar las fuerzas sobre los materiales.
La intensidad unitaria de una fuerza que actúa sobre una superficie se mide en tensión, que es por definición el cociente de dividir la intensidad de la fuerza por la superficie de dicha sección.
La tensión capaz de producir la destrucción o desintegración del cuerpo se denomina tensión de rotura. Pues bien, esta rotura y las deformaciones que la preceden son consecuencias del tipo de solicitud y de la intensidad de la misma.
Las solicitudes primarias son cinco: compresión, tracción, cortadura, flexión y torsión.
Para explicar las solicitudes primarias vamos a considerar un paralelepípedo (figura 1) cuyas tres dimensiones son DX, DY, DZ y consideremos fija una de sus bases, la ABCD por ejemplo. Podremos distinguir los siguientes tipos de deformaciones:
1.- El paralelepípedo sufre un acortamiento de las aristas DZ, porque la cara EFGH se ha aproximado paralelamente a la cara ABCD. Esta deformación es debida a la solicitud de compresión sobre la cara EFGH.
2.- El paralelepípedo sufre un alargamiento de la arista DZ, porque la cara EFGH tiende a separarse paralelamente de la cara fija ABCD. La deformación se produce por una solicitud de tracción sobre la cara EFGH.
3.- La cara EFGH tiende a resbalar sobre la ABCD sin que varíe la distancia DZ entre ambas. La deformación procede de una solicitud de cortadura llamada cizalladura o esfuerzo cortante.
4.- La cara EFGH deja de ser paralela a la fija ABCD a causa de un giro que determine el acortamiento de las aristas superiores DZ del paralelepípedo, y un alargamiento de los homónimos inferiores. La solicitud que ha producido esta deformación es la flexión.
5.- La cara EFGH gira también con relación a la fija ABCD, pero sin variar las distancias entre ellas, produciéndose una rotación. Ha habido una solicitud de torsión.
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Figura 1.
Para la elección de un determinado material, que va a estar destinado a prestar un servicio, es necesario conocer las características técnicas del mismo, de tal forma que cualquier deformación que se produzca no sea excesiva y cause una rotura. Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando ensayos cuidadosos de laboratorio que reproducen las condiciones de trabajo real hasta donde sea posible.
Las tres propiedades mecánicas fundamentales de los materiales son: cohesión, elasticidad y plasticidad.
· La cohesión es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse.
· La elasticidad indica la capacidad que tienen los materiales elásticos de recuperar la forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma.
· La plasticidad define la facilidad de adquirir deformaciones permanentes. Cuando estas deformaciones se presentan en forma de láminas, hablaremos de maleabilidad, y si se presenta en forma de filamentos, de ductilidad.
La cohesión se valora a través de ensayos de dureza, y la elasticidad y la plasticidad por medio de los de tracción.
Teniendo en cuenta todo esto vamos a ver las distintas propiedades mecánicas que se pueden producir en los materiales, en el apartado referente a los ensayos, explicando una propiedad cuando indiquemos un ensayo que afecte a dicha propiedad.
2.4.- PROPIEDADES QUIMICAS.
Entre las propiedades químicas podemos encontrar, entre otras, las fuerzas de enlace: en lo que se refiere a la composición del material y luego el comportamiento de los materiales ante medios agresivos externos, como puede ser la corrosión.
Las propiedades químicas de los átomos de los elementos dependen principalmente de la reactividad de sus electrones más externos. Los más estables y menos reactivos de todos los elementos son los gases nobles.
Podemos definir la corrosión como el deterioro lento de un material por la acción de un agente exterior. En el deterioro de materiales, podemos distinguir dos procesos:
· Oxidación directa.
· Corrosión electroquímica.
La oxidación directa resulta de la combinación de los átomos metálicos con los de la sustancia agresiva.
La corrosión electroquímica se origina por la presencia de pilas electroquímicas en las que el metal actúa como ánodo y, por tanto, se disuelve. Este tipo de corrosión exige la presencia de ambientes acuosos y, en general, con medios de conductividad electrolítica.
Una pila electroquímica se forma cuando dos piezas de metal se ponen en contacto a través de un líquido conductor o electrólito. El circuito eléctrico que se forma produce fenómenos de electrodeposición como la corrosión electroquímica.
En el caso de la oxidación directa, toda la superficie metálica es afectada prácticamente por igual. En cambio, las piezas que sufren corrosión electroquímica, solamente son afectadas las áreas anódicas, pero no las catódicas.
Los fenómenos de corrosión no ocurren siempre de la misma manera ni producen los mismos efectos. Según estos criterios, podemos clasificar dichos fenómenos en los siguientes tipos:
· Corrosión uniforme. El metal es atacado uniformemente, con lo que adelgaza de la misma forma. Su resistencia mecánica decrece proporcionalmente conforme disminuye la sección.
· Corrosión localizada. El material resulta picada, quedando la superficie con grandes rugosidades. En este caso, la capacidad de deformación del metal disminuye más rápidamente de lo que podía esperarse por la pérdida de masa. Como ejemplo se puede citar la corrosión del hierro por el agua de mar.
· Corrosión intergranular. Afecta a la unión de los granos de los constituyentes de los materiales, debilitando la resistencia del conjunto de tal manera que a veces se rompen las piezas al menor esfuerzo, sin que exteriormente se observe alteración alguna.
· Corrosión selectiva. Es la que ocurre habitualmente en el descincado de los latones. Se produce una pérdida de cinc en el latón, quedando una masa porosa de cobre de baja resistencia.
· Corrosión bajo tensiones. Suele suceder cuando actúan los esfuerzos estáticos superficiales de tensión, combinados con un medio corrosivo. Los esfuerzos pueden ser de origen residual, como consecuencia del proceso de fabricación, o causados por el uso del metal.
· Corrosión-erosión. Se debe al flujo turbulento de fluidos que contienen sólidos en suspensión. La combinación de este efecto mecánico con un medio corrosivo acelera el deterioro del material.
· Corrosión con fatiga. Combinación de esfuerzo mecánico y corrosivo. Se debe a la acción de un medio agresivo sobre el metal, sometido a la vez a esfuerzos variables.
La problemática de la corrosión es importante, pero no imposible de solucionar. Se utilizan diversas técnicas para controlar y evitar la corrosión. A continuación se citarán algunos factores que es preciso tener en cuenta para aminorar el efecto de la corrosión, e incluso para evitar la misma:
1. Impedir la formación de pilas galvánicas, utilizando aislantes eléctricos.
2. Tratar siempre de que el área del ánodo sea siempre mucho mayor que la del cátodo. De esta forma, las reacciones catódicas pueden minimizarse.
3. Diseñar recipientes para la contención de líquidos cerrados y procurar que no se acumule líquido estancado. Los depósitos abiertos disuelven continuamente gases, proporcionando iones que intervienen en la reacción catódica y aumentan las celdas por concentración.
4. Evitar hendiduras o grietas entre los materiales armados o unidos.
3.- TÉCNICAS DE MEDIDAS Y ENSAYO DE PROPIEDADES.
Los ensayos son procesos experimentales que permiten realizar una medición de valores proporcionales a los caracteres de un material, lo cual se realiza sobre pequeñas muestras que se llaman probetas y sirven para deducir con aproximación suficiente el comportamiento del material al que representan.
El ensayo, según los medios que se utilicen, puede ser de dos tipos: organolépticos y tecnológicos:
Ensayos organolépticos son aquellos que investigan los caracteres del mismo nombre y son esencialmente estáticos, que se reducen a la comprobación del aspecto, la calidad o al color del material, pudiendo ser normalizados si se refieren a la forma o dimensiones de la pieza, o personales, si se refieren al color a al aspecto.
Los ensayos tecnológicos son el resultado de una investigación experimental y normalizada de los caracteres físicos y químicos o mecánicos de un material, sujetándose a unas normas de ejecución para obtener valores comparativos. Los ensayos físicos y químicos son estáticos, mientras que los ensayos mecánicos son dinámicos, ya que se realizan por medio de la aplicación de fuerzas que determinan, por lo general, su rotura o su deformación, como en los ensayos de flexión.
Los ensayos pueden tener dos objetivos bien diferenciados: servir para la elección del material destinado a un fin determinado, con objeto de emplear aquel que mejor resuelva el problema planteado, o por la comprobación de que el material elegido cumple en el momento de usarlo las cualidades fijadas por las disposiciones legales vigentes.
3.1.- CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE ENSAYO.
Ante la extensa gama de tipos de ensayos que se realizan en la industria para determinar las características técnicas de los materiales, estableceremos tres criterios básicos para su clasificación:
a) Atendiendo a la rigurosidad de su ejecución distinguiremos entre:
· Ensayos técnicos de control. Son aquellos que se realizan durante el proceso productivo. Se caracterizan por su rapidez y simplicidad, al mismo tiempo han de ser exactos, fieles y sensibles.
· Ensayos científicos. Son aquellos que se realizan para investigar características técnicas de nuevos materiales. Se caracterizan por su gran precisión, fidelidad y sensibilidad, pero no importa la rapidez que exige la producción.
b) Atendiendo a la forma de realizar los ensayos, distinguiremos entre:
· Ensayos destructivos. Los materiales sometidos a este tipo de experimento ven alteradas su forma y presentación inicial.
· Ensayos no destructivos. Los materiales sometidos a este tipo de pruebas no ven alteradas su forma y presentación inicial.
c) Al mismo tiempo, los ensayos se pueden agrupar teniendo en cuenta los métodos empleados en la determinación de las propiedades de los materiales, y así distinguimos cuatro grupos:
· Ensayos químicos. Nos permiten conocer la composición química cualitativa y cuantitativa del material, así como su comportamiento ante los agentes químicos.
· Ensayos metalográficos. Con la ayuda del microscopio metalográfico se estudia la estructura interna del material que nos permitirá conocer los tratamientos térmicos y mecánicos que ha sufrido el mismo.
· Ensayos físicos y físico-químicos. Mediante éstos determinaremos las propiedades físicas (densidad, punto de fusión, conductividad térmica y eléctrica, etc), así como las imperfecciones y malformaciones tanto internas como externas.
· Ensayos mecánicos. Destinados a determinar las características elásticas y de resistencia de los materiales sometidos a esfuerzos o deformaciones análogas a las que se presentan en la realidad. En este grupo se encuentran: ensayos estáticos de tracción, compresión, cizalladura, flexión y torsión; ensayos de dureza; ensayos de choque o dinámicos; ensayos de fatiga y fluencia; ensayos tecnológicos de plegado, doblado, embutición, forjado, etc.
3.2.- DEFORMACIONES ELÁSTICAS Y PLÁSTICAS.
Cuando un material es sometido a una tensión se produce una deformación del mismo. Si al cesar la fuerza el material vuelve a sus dimensiones primitivas, diremos que ha experimentado una deformación elástica. El número de deformaciones elásticas que todo material puede soportar es pequeño, puesto que los átomos son desplazados de sus posiciones originales mientras dura la deformación, pero no hasta el extremo de tomar nuevas posiciones, de tal manera que, cuando dejamos de aplicar la fuerza de deformación, vuelven a sus posiciones originales.
Si el material se deforma hasta el extremo de no poder recuperar por completo sus medidas originales, se dice que ha experimentado una deformación plástica.
3.3.- ESFUERZO Y DEFORMACIÓN.
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Consideremos una varilla cilíndrica de longitud l0 y una sección A0, sometida a una tensión uniaxial F de tracción (figura 2). Definiremos esfuerzo como el cociente entre la fuerza de tensión uniaxial F y la sección transversal A0 de la varilla.
Las unidad de esfuerzo en el Sistema Internacional es N/m2, donde:
1 N/m2= 1 Pascal
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Figura 2.
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Cuando se aplica a una varilla una fuerza de tensión uniaxial, se provoca un alargamiento o elongación de la varilla en la dirección de la fuerza (Figura 2). Este desplazamiento se llama deformación. Por definición, deformación en ingeniería es el cociente entre el cambio de longitud en la dirección de la fuerza y la longitud original considerada
Donde:
lo = longitud inicial de la muestra
l = nueva longitud de la muestra después de haber sido alargada por una fuerza de tensión uniaxial.
[RDV1] Dl = variación de la longitud de la muestra.
la unidad para la deformación en el Sistema Internacional es metros por metro (m/m). De este modo, la deformación resulta una magnitud adimensional.
En la práctica industrial, es habitual convertir la deformación en un porcentaje de deformación o porcentaje de alargamiento:
% deformación = deformación * 100% = % alargamiento.
3.4.- ENSAYO DE TRACCIÓN
Consiste en someter a una probeta de forma y dimensiones normalizadas a un sistema de fuerzas exteriores (esfuerzo de tracción) en la dirección de su eje longitudinal hasta romperla.
Existen dos tipos de probetas:
1.- Las probetas cilíndricas se utilizan en ensayos con materiales forjados, fundidos, barras y redondos laminados y planchas de espesor grueso.
2.- Las probetas prismáticas se emplean en planchas de espesores medios y pequeños.
Las probetas constan de una parte central calibrada, ensanchándose en sus extremos llamados cabezales, donde son sujetas por las mordazas de la máquina de tracción.
3.4.1.- Máquinas de tracción.
Son dispositivos mecánicos o hidráulicos que someten a las probetas a un esfuerzo o tensión de tracción creciente en todas las secciones transversales. Esto provoca un desplazamiento de las mordazas que sujetan la probeta, que comienza a alargarse. la máquina detecta, cuantifica y relaciona las tensiones aplicadas y las deformaciones (alargamientos) producidos.
3.4.2.- Análisis de un diagrama de tracción.
Los resultados obtenidos en la realización de un ensayo de tracción se representan en una gráfica donde quedan reflejados los valores de las deformaciones (Dl) en el eje de abscisas y las tensiones de tracción aplicadas (F) en el eje de ordenadas (figura 3)
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Figura 3
Cada material presenta una gráfica de tracción característica que presenta las siguientes particularidades:
· Una primera zona donde las deformaciones son proporcionales a las tensiones de tracción que las producen.
· Una segunda donde, a pequeñas variaciones de tensiones aplicadas, se generan grandes deformaciones.
Esta información, aun siendo útil, no es suficiente desde el punto de vista práctico. En consecuencia, se hace necesario un cambio de escala en abscisas y ordenadas, de tal manera que obtengamos una curva que relacione las tensiones de una sección transversal con las deformaciones relativas a la longitud inicial, llamadas alargamientos unitarios.
Eje de abscisas: E=Dl / l0
Eje de ordenadas: s = F / S0
Teniendo en cuenta que:
E = Alargamiento unitario (adimensional).
Dl = l – l0 = incremento de longitud media (medida en mm.)
s = Tensión en una sección transversal cuando se aplica una fuerza F (en kp/cm2)
S0 = Sección inicial de la probeta (cm2).
La representación gráfica de los nuevos valores obtenidos para abscisas (E ) y ordenadas (s) figura 4 se asemeja a la de la figura 3.
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Q
S
E
P
Figura 4
Al estudiar este diagrama, podemos distinguir dos zonas fundamentales:
· Zona elástica (OE). Se caracteriza porque al cesar las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud original l0.
· Zona plástica (ES). Se ha rebasado la tensión del límite elástico sE, de tal forma que aunque dejemos de aplicar tensiones de tracción, el material ya no recupera su longitud original, es decir, su longitud será algo mayor que lo. Diremos que el material ha sufrido deformaciones permanentes.
Dentro de la zona elástica distinguiremos dos zonas:
· Zona de proporcionalidad (OP). Observamos que se trata de una recta, por tanto, existe una proporcionalidad entre las tensiones aplicadas y los alargamientos unitarios. Matemáticamente se cumple:
s = cte* E
Es la zona donde deben trabajar los materiales.
· Zona no proporcional (PE). El material se comporta de forma elástica, pero las deformaciones y tensiones no están relacionadas matemática mente. No es una zona aconsejable para trabajar los materiales, ya que no podemos controlar la relación deformación-tensión aplicada, aunque el material es elástico
Dentro de la zona plástica distinguiremos otras dos zonas:
· Zona límite de rotura (ER). Zona de comportamiento muy similar a la anterior, donde a pequeñas variaciones de tensión se producen grandes alargamientos. la diferencia con el anterior es que los materiales no tienen comportamiento elástico, ya que estamos en zona plástica y las de formaciones son permanentes. El límite de esta zona es el punto R, llamado límite de rotura, y a la tensión aplicada en dicho punto la denominaremos tensión de rotura. A partir de este punto el material se considera roto, aunque no se haya producido la fractura visual.
· Zona de rotura (RS). Superado el punto R, aunque se mantenga constante o baje ligeramente la tensión aplicada, el material sigue alargándose progresivamente hasta que se produce la rotura física total en el punto S.
Este comportamiento de los materiales se puede generalizar. No obstante, existen algunas excepciones entre las que se encuentra el acero, cuya gráfica del ensayo de tracción presenta una característica peculiar, y es la existencia de una zona localizada por encima del límite elástico, donde se produce un alargamiento muy rápido sin que varíe la tensión aplicada. Este fenómeno se conoce como fluencia, ya que el material fluye sin causa aparente. El punto donde comienza dicho fenómeno se llama límite de fluencia (F) (Figura 5)), y la tensión aplicada en dicho punto tensión de fluencia.
De la observación y estudio de los diagramas de tracción, sacaremos como consecuencia que los puntos P y E son de difícil localización, lo que implica la imposibilidad de cuantificar sus tensiones correspondientes. En cambio, los puntos F y R quedan fácilmente localizados en los diagramas procedentes de las máquinas de ensayos.
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Figura 5
3.5.- LEY DE HOOKE
A lo largo de tema hemos dicho que las fuerzas aplicadas sobre un elemento resistente son proporcionales a las deformaciones producidas, dentro del comportamiento elástico de los materiales.
Esta ley tiene un carácter general, pero se aplica preferentemente al ensayo de tracción, por ser el más representativo de todos ellos.
La ley de Hooke se puede enunciar como sigue: las deformaciones producidas en un elemento resistente son proporcionales a las fuerzas que las producen.
Matemáticamente, se puede enunciar mediante la ecuación:
Fuerza / deformación = constante = tag a
3.5.1.- Aplicación de la Ley de Hooke al ensayo de tracción.
Ya conocemos que en la representación gráfica de un ensayo de tracción, existe la llamada zona de proporcionalidad (OP), que abarca desde el origen de coordenadas hasta el límite de proporcionalidad y se representa por una recta.
En este caso, las fuerzas aplicadas se refieren a las fuerzas extensoras o tensiones de tracción (F), y a las deformaciones producidas en los alargamientos (Dl), de tal forma que se cumple (figura 6):
F/Dl = k
Tag a1 = k
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Figura 6
Si lo aplicamos en el diagrama s – E, obtenemos (figura 7):
s /E = contante = E
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E
Figura 7
En esta representación, el valor de la tag a se conoce como módulo elástico o módulo de Young (E), que representa la pendiente de la curva esfuerzo- deformación en la región elástica.
De esta forma podemos definir la Ley de Hooke en la tracción como:
Los alargamientos unitarios (deformaciones) son proporcionales a las tensiones que los producen (fuerzas), siendo la constante de proporcionalidad el módulo elástico.
Matemáticamente resulta:
E= s /E
Sustituyendo:
s = F/S0 y E=Dl/ l0
Tendremos:
E = F*l0 / S0* Dl
que es la ecuación fundamental de la tracción, que sólo es aplicable en la zona de proporcionalidad, ya que una vez rebasado dicho límite el comportamiento no es lineal.
Cuando en una oficina técnica se plantea el diseño de una pieza o elemento simple de una estructura, debemos tener presente el diagrama de fuerzas que actúan sobre dicha pieza o elemento, para que el ingeniero no la sobredimensione o la haga trabajar en zonas de deformaciones plásticas. Además, pueden aparecer otros tipos de tensiones que se pueden llamar irnprevístas. Para solucionar este tipo de problemas, la normativa establece una tensión máxima de trabajo, que definiremos como el límite de carga al que podemos someter una pieza o elemento simple de estructura. Cuantitativa- mente, el valor de esta tensión es inferior a la tensión correspondiente al límite de proporcionalidad.
3.6.- ENSAYO DE DUREZA.
La dureza se define como la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro. También podemos definir al dureza como la capacidad que tiene un material de oponerse a la penetración en su seno de un cuerpo, o sea, representa la resistencia que el material opone , cuando sólo una pequeña superficie de él sufre una compresión La propiedad mecánica que determinamos a través de los ensayos de dureza es la cohesión.
3.6.1. Ensayos de dureza al rayado
Los primeros procedimientos que se utilizaron, se basaron en la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados. Fue Mohs, en 1822, el que estableció la primera escala de dureza con 10 materiales, donde cada uno de ellos es rayado por el siguiente en la escala. Ésta comienza por el talco como el más blando, y termina con el diamante como el más duro.
a) Ensayo de Martens
El esclerómetro de Martens fue la primera máquina que se empleó para medir la dureza al rayado. El ensayo consistía en la medida de la anchura de una raya, que se produce en el material ensayado mediante una punta de diamante de forma piramidal, cargada con una fuerza determinada y constante
b) Ensayo a la lima
Por medio de una lima en buen estado, se puede determinar de forma aproximada la dureza de un acero templado
Si no entra la lima, la dureza de¡ acero será superior a 60 HRC (60 Rock-well-C), y si entra la dureza será inferior a 58 HRC (58 Rockweil-C).
3.6.2.- Ensayos de penetración.
Estas técnicas cuantitativas para determinar la dureza de los materiales se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre la superficie de¡ material a ensayar en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación de la misma. En estos ensayos se mide la profundidad o tamaño de la huella resultante. las dure- zas así medidas tienen solamente un significado relativo (no absoluto), y es necesario tener precaución al comparar las durezas obtenidas por técnicas distintas
a) Ensayo Brinell
Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, contra el material a ensayar, por medio de una carga (F) y durante un tiempo determinado. En la Figura 8 se muestra gráficamente el ensayo Brinell.
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Figura 8
Teniendo en cuenta la superficie del casquete esférico que constituye la huella de la bola, tendremos el número en kilogramos de presión por milímetro cuadrado, y este número es, precisamente, lo que se denomina cifra de dureza de Brinell. Para que este procedimiento posea validez, el ensayo ha de llevarse a cabo con bola de acero de 10 mm de diámetro, carga de 3000 Kg y una duración de las pruebas de 30 segundos. En muchos casos resulta más práctico (materiales muy blandos) utilizar cargas y bolas más pequeñas.
b) Ensayo Vickers
Para este ensayo el penetrador que utilizamos es una pirámide regular de base cuadrada, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136º (figura 9). Se recomienda utilizar este ensayo para durezas superiores a 500 HB
Presenta ventajas respecto al ensayo anterior, porque se puede utilizar tanto para materiales duros como blandos, y además los espesores de las piezas pueden ser muy pequeños (hasta 0,05 mm).
Las cargas que se utilizan son muy pequeñas, de 1 a 120 kg, aunque lo normal es emplear 30 kg.
El grado de dureza Vickers (HV) se obtiene de modo similar al Brinell:
HV = F/ S
Donde:
HV = Dureza en grados Vickers (kg/mm²)
F = Carga aplicada sobre el penetrador (pirámide) (kg)
S = Superficie lateral de la huella (mm²)
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Figura 9
c) Ensayo de Rockwell
El método Brinell no permite medir la dureza de los aceros templados porque se deforman las bolas. Para evitar este hecho se utiliza la máquina de Rockwell, que se basa también en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados. No obstante, a diferencia de los anteriores, se determina la dureza en función de la profundidad de la huella.
Es un ensayo muy rápido y fácil de realizar, pero menos preciso que los anteriores. Es válido para materiales blandos y duros.
El penetrador consiste en una bola para materiales blandos, obteniéndose el grado de dureza Rockwell bola (HRB); o bien un cono de diamante de 120º para materiales duros resultando el grado de dureza Rockwell como HRC.
Normas para la realización del ensayo Rockwell:
1. Aplicamos una carga de 70 kg al penetrador (cono o bola), hasta conseguir una pequeña huella, se mide su profundidad h1, que se toma como referencia, colocando el comparador de la máquina a cero.
2. Aumentamos las cargas en 90 kg para el penetrador de bola y 140 kg para el de cono, mantenemos la carga un tiempo comprendido entre 3 y 6 segundos, y medimos la profundidad producida h2.
3. Retiramos las cargas adicionales. El penetrador se recuperará y ascenderá hasta la posición h1 + e. El valor de e no es cero, ya que las deformaciones que se producen en el material son plásticas y elásticas, y al dejar de aplicar las cargas permanecen únicamente las primeras, cuyo valor es e
la dureza Rockwell no se expresa directamente en unidades de penetración, sino por el valor diferencia respecto a dos números de referencia:
· Dureza Rockwell HRB = 130 – e
· Dureza Rockwell HRC= 100 – e
La amplitud de la escala de medida de las máquinas es de 0,2 mm, y cada unidad equivale a 0,002 mm = 2 micras. La lectura se realiza directamente sobre el comparador, ampliando (1:5) el recorrido del penetrador.
La justificación de expresar la dureza de esta forma se basa en que los materiales blandos tienen menos dureza que los duros, cosa que no ocurre si la dureza se mide directamente en unidades e.
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Figura 10. Esquemas gráficos del ensayo Rockwell con penetradores de bola y de cono de diamante.
3.7.- ENSAYO DINÁMICO POR CHOQUE. ENSAYO DE RESILENCIA.
La resiliencia es la característica mecánica contraria a la fragilidad: a mayor resiliencia menor fragilidad. La finalidad de este ensayo dinámico por choque es la determinación de la energía absorbida por una probeta de determinadas dimensiones, al provocar su ruptura de un solo golpe. Es muy importante para conocer el comportamiento del material destinado a la fabricación de ciertas piezas y órganos de máquinas, ya que han de estar sometidos a esfuerzos dinámicos.
Las probetas para el ensayo se encuentran normalizadas, y suelen tener 55 mm de longitud y una sección cuadrada de 10 mm de lado. En el punto medio de su longitud está entallada. La entrada puede ser de dos tipos, en forma de V y en forma de U.
La máquina más utilizada en el ensayo de resiliencia es el péndulo de Charpy (figura 11). Consta de una base rígida con dos soportes verticales, unidos en la parte superior por un eje horizontal; dicho eje lleva acoplado un brazo giratorio, en cuyo extremo va situado un martillo en forma de disco, el cual golpea la probeta y produce la rotura.
La resiliencia se obtiene como:
P = Ep / A
donde:
Ep = Energía potencial del choque.
A= Sección de probeta.
La resilencia se expresa en Julios/cm².
Figura 11
3.8.- ENSAYO DE FATIGA.
Cuando determinadas piezas están sometidas a esfuerzos variables en magnitud y sentido que se repiten con cierta frecuencia, se pueden romper con cargas inferiores a las de rotura, trabajando incluso por debajo del límite elástico, siempre que actúen durante un tiempo suficiente. A este fenómeno se le conoce con el nombre de fatiga.
Leyes fundamentales:
1. Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzos unitarios inferiores a su carga de rotura, e incluso a su límite elástico, si el esfuerzo se repite un número suficiente de veces.
2. Para que la rotura no tenga lugar, con independencia de¡ número de ciclos, es necesario que la diferencia entre la carga máxima y mínima sea inferior a un determinado valor, llamado límite de fatiga.
Los ensayos de fatiga más habituales son los de flexión rotativa y torsión.
Las roturas por fatiga presentan dos zonas bien definidas, una de grano fino mate y distribución ondular que parece surgir de un punto defectuoso, y otra de grano grueso brillante que indica la rotura final.
En el proceso de fatiga se distinguen tres fases esenciales: una de incubación a partir de la fisura interna, otra de maduración progresiva y la última, instantánea, es la rotura efectiva.
3.9.- ENSAYO DE TERMOFLUENCIA.
Si se aplica un esfuerzo a un material que está a temperatura elevada, dicho material puede estirarse y finalmente fallar, aún si el esfuerzo aplicado es menor que el de fluencia a tal temperatura. La deformación plástica a temperaturas altas es conocida como termofluencia.
Los ensayos de termofluencia nos permiten determinar la vida esperada de un componente para una combinación particular de esfuerzo y temperatura.
3.10.- ENSAYO DE CIZALLADURA.
Con este ensayo se determina el comportamiento del material sometido a esfuerzo cortante, progresivamente creciente, hasta conseguir la rotura; a este ensayo se someten las chavetas, remaches, tornillo, pernos, etc..
3.11.- ENSAYOS TECNOLÓGICOS.
Este grupo de ensayos se diferencian fundamentalmente del resto en el hecho de que, con ellos, no se pretenden obtener valores cuantitativos en cálculos numéricos, sino que únicamente sirven para estudiar el comportamiento del material ante un fin al que se destina. En consecuencia, el ensayo reproduce, a escala conveniente, las condiciones prácticas de aquél.
3.11.1. Tipos de ensayos tecnológicos.
a) Ensayo de plegado
Sirve para estudiar las características de plasticidad de los materiales metálicos. Para ello, se doblan las probetas en condiciones normalizadas, y se observa si aparecen grietas en la parte exterior de la curva, donde los esfuerzos de tracción son elevados.
El ensayo se puede realizar en frío y en caliente según condiciones normalizadas. Las probetas son prismáticas, de sección rectangular, pulidas, y la cara de tracción tiene las aristas redondeadas. El ensayo se puede llevar a cabo de tal forma que las caras de la probeta queden:
· En contacto.
· Paralelas, a una distancia determinada.
· Formando un ángulo.
b) Ensayo de embutición
Es uno de los más importantes para las planchas, pues es conveniente conocer el grado de embutido.
El ensayo consiste en presionar un vástago sobre la chapa hasta que se produce la primera grieta. Se comprueba el grado de embutición midiendo la penetración en milímetros de¡ punzón o vástago hasta la aparición de la primera grieta.
3.12.- ENSAYOS DE DEFECTOS.
Los ensayos de defectos tienen por objeto descubrir y localizar defectos en la superficie o en el interior de los materiales. En general, estos ensayos se aplican a piezas terminadas y, por tanto, no deben dañar ni dejar huella alguna. Estos ensayos son muy útiles y se aplican extensiva y sistemáticamente, no sólo para el examen de la piezas o productos terminados, sino también para revisar periódicamente piezas que están en servicio.
Los principales ensayos por defecto son:
§ Macroscópicos.
§ Magnéticos.
§ Electromagnéticos. Y Sónicos
§ Ultrasónicos.
§ Por Rayos X
§ Por Rayos g
Las propiedades de los materiales no tienen valores exactos. Es decir, aunque dispusiéramos de instrumental extraordinariamente preciso y de unos procedimientos muy controlados. Siempre obtendremos una cierta dispersión en los resultados. Existen muchos factores que influyen en la variabilidad, entre otros citaremos: metodología del ensayo, proceso de fabricación de las probetas, acción del operador equipo de calibración del aparato, etc.
Hemos de tener en cuenta que esta dispersión de las propiedades de los materiales son inevitables y debemos considerarlas de forma adecuada. Los resultados, en muchas ocasiones, tienen que tratar de forma estadística y debemos determinar probabilidades. Por ejemplo: En lugar de preguntamos: ¿Cuál es la resistencia a la fractura de un acero?, deberíamos preguntar: ¿Cuál es la probabilidad de rotura de dicho acero en determinadas condiciones?
4.- ESQUEMA RESUMEN (TEMA 29)
– PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.
Se define las propiedades de un material, como las características de las reacciones ante acciones exteriores que tienden a alterar su equilibrio, pueden manifestarse espontáneamente, es decir, sin intervención de agentes exteriores, o por la actuación de dichos agentes.
Las propiedades de los materiales pueden clasificarse en tres grandes grupos: organolépticas, físicas y químicas.
– Propiedades organolépticas.
Son aquellas que se aprecian con la simple aplicación de los sentidos o con la ayuda de utensilios simples. Las propiedades organolépticos de los materiales más importantes son: aspecto exterior, color, fractura y homogeneidad.
– Propiedades físicas son aquellas que se relacionan con las actuaciones de los agentes físicos, como son el peso, el volumen, el peso específico, etc.. Las más importantes son:
* Estructura
Hay dos grandes grupos de estructuras: las cristalinas (perfecta ordenación de esparcimiento de moléculas que forman cristales) y las vítreas o amorfas( no existe ordenación del edificio molecular).
Independientemente de la cualidad cristalina o vítrea, las estructuras pueden clasificarse según la distribución de sus componentes en: compactas; granular, porfídica, estratificada, esquistosa, clástica, laminar, escamosa, sacaroidea, fibrosa, porosa, cavernosas, celulares.
* Densidad
Por densidad de un cuerpo se entiende la masa contenida en la unidad de volumen.
* Peso específico
Es el cociente entre el peso del material y el volumen que ocupa en el espacio.
* Porosidad y compacidad:
Porosidad es la relación entre el volumen ocupado por los poros del cuerpo y el volumen total envolvente, pudiendo ser absoluta o relativa según se consideren los poros totales o solamente los accesibles.
La compacidad, tanto absoluta como relativa, es el complemento a uno de la porosidad absoluta o relativa
* Absorción y permeabilidad:
Todo material poroso puede llegar a llenar todos sus poros de un líquido en el que se encuentra inmerso o de un vapor de agua si se encuentra en una atmósfera de humedad relativa adecuada.
Los materiales insolubles se dividen en permeables e impermeables, según que permitan o no el paso del agua a su través, pudiendo hacerlo en ambos casos por inhibición o sin inhibición.
* Propiedades térmicas:
Se establecen dos escalas de temperatura, principalmente, la de Celcius y la de Fahrenheit.
Al aplicar calor sobre un cuerpo se transmite a toda su masa y al cabo de cierto tiempo ha alcanzado toda ella una determinada temperatura; lo cual se consigue más o menos según la conductividad térmica del material, que es la propiedad que poseen los cuerpos de transmitir, a través de su masa, el flujo térmico resultante de la diferencia de temperatura entre dos puntos del mismo.
El comportamiento de los materiales frente al fuego es muy variable, pudiéndose clasificar desde este punto de vista en: incombustibles, autoextinguibles, combustibles e inflamables.
* Propiedades eléctricas.
Los materiales son un conjunto de partículas cargadas y por esta razón se encuentran afectados por la acción de campos electromagnéticos que producen en ellos tres efectos fundamentales: conductividad, polarización eléctrica y efectos magnéticos.
La conductividad eléctrica es la facilidad con que cada material deja pasar a través de él la electricidad.
Los materiales, atendiendo a su conductividad se clasifican en: conductores, semiconductores y aislantes
* Propiedades mecánicas.
Se llama solicitud mecánica a cada uno de los distintos modos de actuar las fuerzas sobre los materiales.
Las solicitudes primarias son cinco: compresión, tracción, cortadura, flexión y torsión.
Propiedades mecánicas fundamentales de los materiales son:
Cohesión: resistencia que ofrecen los átomos a separarse.
Elasticidad indica la capacidad que tienen los materiales elásticos de recuperar la forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma.
Plasticidad define la facilidad de adquirir deformaciones permanentes. Cuando estas deformaciones se presentan en forma de láminas, hablaremos de maleabilidad, y si se presenta en forma de filamentos, de ductilidad.
– Propiedades químicas.
Entre las propiedades químicas podemos encontrar, entre otras, las fuerzas de enlace: en lo que se refiere a la composición del material y luego el comportamiento de los materiales ante medios agresivos externos, como puede ser la corrosión.
Podemos definir la corrosión como el deterioro lento de un material por la acción de un agente exterior. En el deterioro de materiales, podemos distinguir dos procesos:
· Oxidación directa.
· Corrosión electroquímica.
– Técnicas de medidas y ensayo de propiedades.
Los ensayos son procesos experimentales que permiten realizar al medición de valores proporcionales a los caracteres de un material.
El ensayo, según los medios que se utilicen, puede ser de dos tipos: organolépticos y tecnológicos:
*Clasificación y tipos de ensayo:
a) Atendiendo a la rigurosidad de su ejecución distinguiremos entre:
· Ensayos técnicos de control
· Ensayos científicos
· Ensayos destructivos
· Ensayos no destructivos.
b)Al mismo tiempo, los ensayos se pueden agrupar teniendo en cuenta los métodos empleados en la determinación de las propiedades de los materiales, distinguiendo 4 grupos:
· Ensayos químicos.
· Ensayos metalográficos.
· Ensayos físicos y físico-químicos
· Ensayos mecánicos.
* Ensayo de tracción
Consiste en someter a una probeta de forma y dimensiones normalizadas a un sistema de fuerzas exteriores (esfuerzo de tracción) en la dirección de su eje longitudinal hasta romperla.
* Ley de Hooke
La ley de Hooke se puede enunciar como sigue: las deformaciones producidas en un elemento resistente son proporcionales a las fuerzas que las producen.
*Ensayo de dureza.
La dureza se define como la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro.
* Ensayos de dureza al rayado: Ensayo de Martens y Ensayo a la lima
* Ensayos de penetración.
a) Ensayo Brinell
Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, contra el material a ensayar, por medio de una carga (F) y durante un tiempo determinado
b) Ensayo Vickers
Para este ensayo el penetrador que utilizamos es una pirámide regular de base cuadrada, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136º
c) Ensayo de Rockwell
Se utiliza la máquina de Rockwell, que se basa también en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados. No obstante, a diferencia de los anteriores, se determina la dureza en función de la profundidad de la huella
* Ensayo dinámico por choque. ensayo de resilencia.
La resiliencia es la característica mecánica contraria a la fragilidad: a mayor resiliencia menor fragilidad. La finalidad de este ensayo dinámico por choque es la determinación de la energía absorbida por una probeta de determinadas dimensiones, al provocar su ruptura de un solo golpe.
* Ensayo de fatiga.
Cuando determinadas piezas están sometidas a esfuerzos variables en magnitud y sentido que se repiten con cierta frecuencia, se pueden romper con cargas inferiores a las de rotura, trabajando incluso por debajo del límite elástico, siempre que actúen durante un tiempo suficiente. A este fenómeno se le conoce con el nombre de fatiga.
Leyes fundamentales:
1. Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzos unitarios inferiores a su carga de rotura, e incluso a su límite elástico, si el esfuerzo se repite un número suficiente de veces.
2. Para que la rotura no tenga lugar, con independencia de¡ número de ciclos, es necesario que la diferencia entre la carga máxima y mínima sea inferior a un determinado valor, llamado límite de fatiga.
* Ensayo de termofluencia.
La deformación plástica a temperaturas altas es conocida como termofluencia.
Los ensayos de termofluencia nos permiten determinar la vida esperada de un componente para una combinación particular de esfuerzo y temperatura.
* Ensayo de cizalladura.
Con este ensayo se determina el comportamiento del material sometido a esfuerzo cortante, progresivamente creciente, hasta conseguir la rotura.
* Ensayos tecnológicos.
a) Ensayo de plegado
b) Ensayo de embutición
* Ensayos de defectos.
Los ensayos de defectos tienen por objeto descubrir y localizar defectos en la superficie o en el interior de los materiales.
5.- BIBLIOGRAFIA:
Enciclopedia Salvat de las Ciencias: Salvat S. A. de Ediciones.
Metalografía y Tratamiento Térmico de los Metales. Editorial Mir Moscú, LAJTIN, YU.
Ensayo Mecánicos de los Materiales Metálicos. Editorial Labor, 1973. LUCCHESI, DOMÉNICO.
Resistencia de los Materiales. Espasa Calpe, S.A. TIMOSHENKO, S.
Tecnología Industrial II. MC GRAW HILL SONIA VAL, JOSÉ LUIS HUERTAS.
Apuntes de Ciencias Materiales (Arquitectura Técnica LA LAGUNA)
La Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial Iberoaméricana, 1985. ASKELAND, DONALD.
Estudio de Materiales. Servicios de Publicaciones Revistas de Obras Públicas. ARREDONDO, F.