FACULTAD CATOLICA FRAY ROGELIO BACON

Transcripción

1 FACULTAD CATOLICA FRAY ROGELIO BACON PONTIFICA UNIVERSIDAD CATOLICA ARGENTINA MENDOZA 4197-TEL./FAX ROSARIO Bronces y Latones Carrera: Ingeniería Industrial Asignatura: Estudio y Ensayo de Materiales Profesor: De Gorostiza, Fragapane

2 Clasificación de metales No Férricos Dependiendo de sus características, estos materiales sustituyen con ventaja a los derivados del hierro en múltiples aplicaciones tecnológicas. Sin embargo, resultan más caros de obtener debido a diversas razones, entre las que destacan las siguientes: La baja concentración de algunos de estos metales en sus menas. La energía consumida en los procedimientos de obtención, y afino, ya que, la mayoría de los casos, se trata de procesos electrolíticos para los que se emplea energía eléctrica. La demanda reducida, que obliga a producirlos en pequeñas cantidades. Los metales no férricos de mayor aplicación industrial son el cobre y sus aleaciones: el aluminio, el plomo, el estaño y el cinc. Otros como el mercurio y el volframio, se aplican en ámbitos industriales muy específicos. Los demás metales casi nunca se emplean en estado puro sino formando aleaciones. Es el caso del níquel, el cromo, el titanio o el manganeso El Cobre El cobre puede encontrarse en estado puro. Es un metal de color rojizo, se trata de un metal bastante pesado, con una densidad de 8,9 g/ cm³. Cristaliza en la red cúbica centrada en las caras, y su punto de fusión es de 1083 ºC. Es después de la plata, el mejor conductor del calor y de la electricidad. Sus propiedades mecánicas más destacables son la maleabilidad y la ductilidad, que le proporcionan un alargamiento de hasta un 50% más de su longitud inicial sin romperse. Es poco resistente a los agentes atmosféricos. El cobre, a la intemperie, se recubre de una capa de carbonato, de color verdoso, denominada cardenillo, que el protege de la oxidación posterior. El cobre esta presente en diversos minerales: 2

3 Cuprita: esta compuesto básicamente por óxido de cobre; se presenta en forma de masas terrosas de color rojo. Contiene hasta un 88% de riqueza, pero es muy escasa. Calcopirita: es un sulfuro mixto de hierro y cobre; tiene color amarillento, resulta la principal mena de cobre. Malaquita: es una mezcla de carbonato e hidróxido de cobre; se presenta en masas cristalinas de color azul y resulta también una buena mena de cobre. Cobre nativo: se trata de cobre puro; es muy escaso y suele hallarse en el fondo de los yacimientos de otros minerales de cobre. Proceso de obtención: Según la riqueza de los minerales empleados, se utilizan dos técnicas de obtención: La vía húmeda: se emplea cuando el contenido en cobre es bajo. Consiste en disolver el material con el ácido sulfúrico y recuperar después el cobre mediante electrólisis. La vía seca: es la técnica mas habitual de obtención de cobre bruto, pero solo puede utilizarse si la riqueza del mineral supera el 10%. El Estaño El estaño es un metal de color blanco brillante, muy blando, de estructura cristalina, poco dúctil pero muy maleable. Puede ser laminado en finas planchas, que forman el papel de estaño. Es muy estable y resistente a los agentes atmosféricos a temperatura ambiente, aunque puede ser atacado con ácidos y productos alcalinos. Por debajo de -18ºC empieza a descomponerse y convertirse en un polvo gris. peste del estaño. Proceso de obtención: Dada su baja riqueza en estaño, es necesario concentrar previamente el mineral. Para ello, se tritura y se lava con el fin de separar la ganga. Posteriormente, se somete a un proceso de tostación para eliminar los sulfuros que pueden contener. Finalmente, el óxido de estaño se reduce en un horno de reverbero, utilizando antracita. El estaño fundido se recoge en el fondo del horno y se moldea en bloques. El proceso de afino se lleva acabo en una cuba electrolítica. En este caso, al ánodo esta formado por planchas de estaño bruto y cátodo, por láminas de estaño puro. 3

4 Aplicaciones: Por su resistencia a la oxidación, casi la mitad de la producción mundial de estaño se emplea como recubrimiento electrolítico de otros metales, por ejemplo, el acero. De este modo se obtiene la hojalata. Constituye un elemento imprescindible en multitud de aleaciones: Los diversos tipos de bronces. El denominado metal blanco (aleación de cobre, estaño y plomo), empleado en la fabricación de cojinetes. Las aleaciones fusibles, utilizadas para construir componentes eléctricos de control, y la soldadura blanda, formada a base de estaño y plomo. El Cinc El cinc es un metal de color gris azulado, brillante, frágil en frío y relativamente blando. Es inalterable al aire seco, pero el aire húmedo lo oxida y hace que pierda su brillo. La capa de óxido que lo empaña lo protege de una oxidación más profunda. No resiste la acción de los ácidos ni de los agentes alcalinos y es soluble en alcohol. Se encuentra como óxido de cinc en el mineral cincita y como silicato de cinc en la hemimorfita. También se encuentra como carbonato de cinc en el mineral esmitsonita, como óxido mixto de hierro y cinc en la franklinita, y como sulfuro de cinc en la esfalerita, o blenda de cinc. La mena principal es la blenda. Proceso de obtención: La metalurgia del cinc está frecuentemente asociada a la del plomo en la denominada vía seca. En este proceso se somete el mineral a una fase de tostación para obtener óxido de cinc, y después se reduce el óxido en un horno de retorta con ayuda de carbón. El metal obtenido puede afinarse posteriormente por procedimientos electrolíticos. La vía húmeda, más reciente, consiste en tratar el mineral triturado con una disolución de ácido sulfúrico. El cinc se disuelve en forma de sulfato de cinc y las impurezas precipitan. La disolución se trata más tarde por métodos electrolíticos para recuperar el cinc. 4

5 Aplicaciones: Debido a su resistencia se ha utilizado tradicionalmente en forma de planchas para cubiertas, cañerías y canalones. Las formas comerciales del cinc sin alear son chapas, tubos y alambres. Forma parte de algunas aleaciones importantes, como latones, los bronces y la alpaca (aleaciones de cobre, níquel, cinc, y estaño) Su principal aplicación es el recubrimiento de piezas de hierro y acero mediante los procesos de galvanizado; Mediante el galvanizado electrolítico se con sigue recubrir las piezas con una delgada capa de cinc que las protege de la corrosión. Resulta costoso por su gran consumo energético. Conformado de las aleaciones de cobre: Se obtienen en el estado de recocido y pueden soportar gran cantidad de trabajo en frío y se les puede dar la forma deseada por embutido profundo, rebordeado, rechazado, doblado y operaciones similares. El latón endurecido por trabajo en frío se ablanda a aproximadamente 593ºC. Soldadura: generalmente por el método oxiacetilénico, con un suministro suficiente de calor para vencer su alta conductividad térmica. Puede soldarse por arco eléctrico, con la aplicación de la soldadura por arco metálico protegido y por arco metálico o de tungsteno con protección gaseosa. Todas las aleaciones de cobre, excepto las que tienen aluminio, pueden soldarse con soldadura blanda o de plata. Maquinado: se realiza con facilidad con los métodos usuales y las herramientas estándar destinadas para el acero, pero con velocidades más altas. Para fines de maquinado, las aleaciones de cobre pueden dividirse en tres grupos: 5

6 -Grupo A: de estructura homogénea que son tenaces y dúctiles y forman una viruta larga y continua. -Grupo B: exentas de plomo de estructura duplex, forman una viruta larga pero frágil. -Grupo C: con adición de 0.5 a 3.0% de plomo. Las aleaciones de cobre son altamente resistentes al ataque atmosférico y al agrietamiento. Resistencia a la corrosión: Todas las aleaciones de cobre son altamente resistentes al ataque atmosférico, pero para la exposición a la intemperie son preferibles las que contienen más de 80% de cobre (o el cobre mismo) a causa de su resistencia al agrietamiento por esfuerzos introducidos en la elaboración. 6

7 Comparación entre aleaciones de cobre y aceros Aunque desarrollan pátina no se oxidan bajo la superficie, son más frágiles y tienen menor punto de fusión. Son aproximadamente un 10% más pesadas que el acero, a excepción de las compuestas por aluminio o sílice. También son menos rígidas, por lo tanto en aplicaciones elásticas como resortes acumulan menos energía que las piezas similares de acero. Resisten la corrosión, incluso la de origen marino, el umbral de fatiga metálica es menor, y son mejores conductores del calor y la electricidad. Otra característica diferencial de las aleaciones de bronce respecto al acero, es la ausencia de chispas cuando se le golpea contra superficies duras. Esta propiedad ha sido aprovechada para fabricar martillos, mazas, llaves ajustables y otras herramientas para uso en atmósferas explosivas o en presencia de gases inflamables. Versatilidad El cobre y sus aleaciones tienen una amplia variedad de usos como resultado de la versatilidad de sus propiedades mecánicas, físicas y químicas. Téngase en cuenta, por ejemplo, la conductividad eléctrica del cobre puro, la excelente maleabilidad de los cartuchos de munición fabricados en latón, la baja fricción de aleaciones cobre-plomo, las sonoridad del bronce para campanas y la resistencia a la corrosión de la mayoría de sus aleaciones. Propiedades físicas Datos para una aleación promedio 89 % cobre y 11 % estaño: Densidad: 8,90 g / cm3. Punto de fusión: 830 a 1020 ºC Coeficiente de temperatura: 0,0006 K -1 Resistividad eléctrica: 14 a 16 µohm/cm Coeficiente de expansión térmica: entre 20 y 100 ºC ---> 17,00 x 10-6 K-1 Conductividad térmica a 23 ºC : 42 a 50 W m-1 Propiedades mecánicas Elongación: < 65% Dureza Brinell: 70 a 200 Módulo de elasticidad: 80 a 115 GPa Resistencia a la cizalla: 230 a 490 MPa Resistencia a la tracción: 300 a 900 MPa 7

8 Aleaciones comerciales Código Denomi nación Composición % Densidad gr/cm 3 Dureza Brinell Mod. Elástic o Gpa Resist. elec. ohm/cm Punto fusión C Aplicaciones SAE40 11 Cu 85 Pb 5 Sn 5 Zn 5 8, , SAE64 Cu 80 Pb 10 Sn 10 8, , UNS 12 C22000 Comerc ial Cu 89/91 Fe < 0,05 Pb < 0,05 Zn 12,5 8, , matrices de impresión, laminados, tornillos UNS C22600 Bronce de joyería Cu 86/89 Fe < 0,05 Pb < 0,05 Zn 12,5 8, , cremalleras, bijouterie, monedas UNS C31400 Templa do comerci al con plomo Cu 87,5/90,5 Fe < 0,1 Ni < 0,7 Pb 1,3/2,5 Zn 9,25 Otros < 0,05 8, tornillos, contactores eléctricos, partes de herramientas UNS C31600 Templa do niquela do Cu 87,5/90 Fe < 0,1 Ni 0,7/1,2 Ph 0,04/0,1 Pb 1,2/2,5 Zn 8,1 8, tornillos, contactores eléctricos, partes de herramientas UNS C40500 Bronce de alta conduct ividad Cu 95 Sn 1 Zn 4 8

9 Bronce: Bronce es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción de entre el 3 y el 20%. Los tres bronces al estaño más comunes contienen aproximadamente 5, 8 y 10% de estaño y se conocen como aleaciones A, C y D, respectivamente. Contienen por lo general, fósforo desde trazas hasta 0.40%, lo cual mejora sus cualidades para fundición o vaciado, los endurece un poco y ha dado origen al nombre conducente a Bronce Fosforoso; los bronces se caracterizan por sus propiedades elásticas. Los Bronces al Aluminio, con 5 y 8% de Aluminio, son aplicables por su alta resistencia mecánica y su buena resistencia a la corrosión, y algunas veces a causa de su color dorado. Los que contienen 10% de aluminio y otras aleaciones con cantidades aún mayores son muy plásticas en caliente y tienen resistencia mecánica excepcionalmente alta, en particular después del tratamiento térmico. Bronces al silicio, se fabrican cierto número de aleaciones en las cuales el Silicio es el elemento principal de aleación, pero también contienen cantidades apreciables de Zinc, hierro, estaño o manganeso. Estas aleaciones son tan resistentes a la corrosión como el cobre y poseen excelentes propiedades para el trabajo en caliente combinadas con alta resistencia mecánica. Su característica sobresaliente es la soldabilidad por todos los métodos. Se usan mucho aleaciones parar soldadura al arco u oxiacetilénica en depósitos de agua caliente y para procesos químicos. Los cuproníqueles y los metales llamados plata de níquel o plata alemana son de color blanco y no pierden su brillo en ambientes atmosféricos. Son extraordinariamente maleables y pueden trabajarse mucho sin recocerlos. Las aleaciones con níquel tienen las mejores propiedades a temperaturas elevadas de todas las aleaciones de cobre. Existen: Bronces binarios Bronces complejos Bronces forjados Bronces Moldeados Bronces con Zinc Bronces con plomo 9

10 Bronces Comerciales Aleación Elementos Min Max Min Max Min Max Min Max Cobre Estaño Plomo Zinc Niquel Fósforo Bronce 0-1 Resistencia a la tensión 3400 Kg/cm2 Alargamiento en 5.08 cm 22% Dureza Brinell Bronce 0-2 Resistencia a la tensión 2000 Kg/cm2 Alargamiento en 5.08 cm 18% Dureza Brinell Conductividad 16.4% Densidad 8.7 gr/cm3 Bronce 0-3 Resistencia a la tensión 2460 Kg/cm2 Alargamiento en 5.08 cm 12% Dureza Brinell Conductividad 12% Densidad 8.93 Bronce 0-4 Resistencia a la tensión 4000 Kg/cm2 Alargamiento en 5.08 cm 20% Dureza Brinell

11 Correspondencia con Normas Internacionales C.D.A. 937 S.A.E. 64 A.S.T.M. B-145(3A) C.D.A. 844 A.S.T.M. B-145(5A) C.D.A. 932 S.A.E. 660 A.S.T.M. B-144(3B) C.D.A. 905 S.A.E. 62 A.S.T.M. B-143(1A) Denominación Usos Sus principales usos son en bujes y chumaceras, que trabajan a altas velocidades y grandes presiones. Bronce para uso general: Chumaceras, partes de bombas, agricultura, conexiones, etc. Se usan principalmente en bujes y chumaceras que trabajan a velocidades y presiones medias Bronce al estaño, de gran resistencia al desgaste. Especialmente indicado para usarse en engranes, coronas y elementos de máquinas. Latón El latón es cualquier aleación de Cobre y Zinc (Cu-Zn) se le conoce también con la denominación de cuzin o latones. Su densidad también depende de su composición. En general, la densidad del latón ronda entre 8,4gr / cm 3 y 8,7gr / cm 3 Las aleaciones útiles de cobre y zinc contienen hasta un 40 % de zinc, las que contienen del 30 al 35 % son las de mayor aplicación por ser baratas, muy dúctiles y fáciles de trabajar. Al disminuir el contenido de zinc, las aleaciones se aproximan cada vez más al cobre en sus propiedades y mejoran su resistencia a la corrosión. Las aleaciones de zinc del 5 al 20% son de aplicación en 11

12 operaciones de soldado con soldadura fuerte, a causa de no ser susceptibles al agrietamiento por esfuerzos producidos en la elaboración, debido a su color rojo y porque su alto punto de fusión es conveniente. El trabajo en frío aumenta la dureza y la resistencia a la tracción y disminuye la ductilidad, medida por el alargamiento o reducción del área. El latón para resortes debe laminarse con una dureza que sea compatible con las operaciones subsiguientes de formado. Para artículos que requieren dobleces pronunciados, o para las operaciones de embutido profundo, debe usarse latón recocido. El Aluminio se agrega al latón para mejorar su resistencia a la corrosión, particularmente en las aplicaciones de tubos para condensadores. El bronce de manganeso es un latón complejo para el trabajo en caliente, de alta resistencia mecánica y de resistencia al desgaste por abrasivos. El latón naval se usa para árboles (flechas) en los barcos. Se fabrican perfiles por extrusión de muchas aleaciones de cobre en una amplia variedad de formas. La extrusión es importante ya que muchos objetos, como piñones, articulaciones, brazos o ménsulas y cañones de cerraduras, pueden hacerse directamente a partir de varillas extruidas. Los latones de acuerdo a los elementos minoritarios que intervengan en la aleación son maleables únicamente en frío, otros solo en caliente, y algunos no lo son a ninguna temperatura. Todos los tipos de esta aleación se vuelven quebradizos cuando se calientan a una temperatura próxima al punto de fusión. El latón es más duro que el cobre, pero fácil de mecanizar, grabar y fundir, es resistente a la oxidación, a las condiciones salinas y es dúctil por lo que puede laminarse en planchas finas. Su maleabilidad varía según la composición y la temperatura, y es distinta si se mezcla con otros metales, incluso en cantidades mínimas. En el latón al plomo, el plomo es prácticamente insoluble en el latón, y se separa en forma de finos glóbulos, lo que favorece la fragmentación de las virutas en el mecanizado. También el plomo tiene un efecto de lubricante por su bajo punto de fusión, lo que permite disminuir el desgaste de la herramienta de corte. El latón admite pocos tratamientos térmicos y solo se realizan recocidos de homogenización, recristalización. El latón no produce chispas por impacto mecánico, una propiedad atípica en las aleaciones. Esta característica convierte al latón en un material importante en la fabricación de envases para la manipulación de compuestos inflamables Latones binarios cobre-cinc. Los Latones Binarios tienen características muy específicas y sus aplicaciones están relacionadas con el porcentaje de zinc que contenga la aleación. Usos: Bisutería de fantasía. Discos para monedas e insignias. Quincallería. 12

13 Fundas de balas. Aplicaciones industriales. Instrumentos musicales. Telas metálicas. Radiadores de automóviles. Accesorios de fontanería sanitaria. Arquitectura. Latones con plomo. Desde el punto de vista de la maquinabilidad, los latones con plomo están a la cabeza de todas las demás aleaciones. Piezas roscadas para electrotecnia Engranajes Conexiones machos y hembras Piezas para circuitos eléctricos instrumentos de precisión Relojería Válvulas para bicicletas Tornos automáticos de gran velocidad Accesorios para carpintería Piezas para automóviles Elementos mecánicos diversos Accesorios decorativos Marcos de puertas, ventanas y vitrinas Rieles para cortinas Tuercas de radio Latones especiales. 13

14 Los Latones Especiales se obtienen añadiendo uno o más elementos a los latones simples con el fin de mejorar las características de estos. Los elementos utilizados industrialmente, además del plomo, son el estaño, aluminio, manganeso, hierro, níquel, silicio y, en pequeñas proporciones, arsénico. Estos elementos se agregan para mejorar las propiedades mecánicas y aumentar la resistencia a ciertas formas de corrosión. Entre los Latones Especiales existe una gran variedad, pero los más importantes son los siguientes: Latón con Aluminio Latón Almirantazgo Latón Naval Latones de Alta Resistencia La Hélice naval de latón de alta resistencia, es una aplicación de Latón Especial. Por sus características, los Latones Especiales son utilizados en la fabricación de: Tubos de Condensadores Tubos de Evaporadores y de Cambiadores de Calor Quincallería naval Engranajes Tuberías para aire comprimido e hidráulica Latones Comerciales Forma Especificación Aleación Alambres 260 ASTM B-36 Cobre 70%, Zinc 30% Barras 360 ASTM B-16 Cobre 61.5%, Zinc 35.4%, Plomo 3.1% Lainas 270 ASTM B-36 Cobre 70%, Zinc 30% Laminas 270 ASTM B-36 Cobre 70%, Zinc 30% Soleras 360 ASTM B-16 Cobre 61.5%, Zinc 35.4%, Plomo 3.1% Telas 260 ASTM B-36 Cobre 70%, Zinc 30% Terrazos 360 ASTM B-16 Cobre 61.5%, Zinc 35.4%, Plomo 3.1% Tubos 274 ASTM B-36 Cobre 62%, Zinc 38% 14

15 Ensayo de Tracción El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada realizada con dicho material 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. Un cuerpo se encuentra sometido a tracción simple cuando sobre sus secciones transversales se le aplican cargas normales uniformemente repartidas y de modo de tender a producir su alargamiento. 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: Deformaciones elásticas: en esta zona 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 15

16 una recta paralela al tramo proporcional (recto) con una deformación inicial igual a la convencional. 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 Luders). 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. 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. 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 ese 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) entre la sección inicial y cuando se produce la estricción la sección disminuye, efecto 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. Probetas para Tracción Las probetas para los ensayos de tracción pueden ser: industriales o calibradas; estas últimas, se emplean en experiencias más rigurosas y adoptan formas perfectamente cilíndricas o prismáticas, con extremos ensanchados, no solo para facilitar su sujeción en la máquina de ensayo, sino para asegurar la rotura dentro del largo calibrado de menor sección El gráfico de la probeta de tracción a utilizar es según la norma IRAM 16

17 Maquina de Ensayo La siguiente es una foto de la maquina utilizada para realizar el ensayo de tracción, en la cual vemos el dial que nos marca la cargas, el diagramador y el sistema donde se realiza el ensayo con la probeta colocada. Modo y tiempo de aplicación de las cargas La carga debe aplicarse de tal manera que el esfuerzo resulte uniformemente destruido sobre la sección transversal del material. Tratándose de ensayos estáticos el incremento de carga se efectúa en forma muy lenta, para evitar los efectos de las fuerzas de inercia, velocidad que se fija según las normas y materiales, adoptándose generalmente una variación de 0,1 Kgf/mm² y por segundo aproximadamente hasta alcanzar el limite de fluencia, a partir del cual puede llegarse como máximo a 50 Kgf/mm² por minuto. Resulta de gran importancia la velocidad de la aplicación de la carga de ensayo, pues su incremento produce un retraso en la aparición de las deformaciones plásticas y un aumento de la resistencia del material. Si las 17

18 cargas se aplican en forma extremadamente lentas se obtiene una disminución del límite de fluencia y un aumento de la resistencia, aunque a expensas de la ductilidad, que disminuye considerablemente. Máquina para ensayo de tensión por computadora. En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los materiales elásticos: Módulo de elasticidad: o módulo de Young es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza. Para un material elástico lineal e isótropo, el módulo de Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico, y es siempre mayor que cero: si se tracciona una barra, aumenta de longitud, no disminuye. Este comportamiento fue observado y estudiado por el científico inglés Thomas Young. Tanto el módulo de Young como el límite elástico son distintos para los diversos materiales. El módulo de elasticidad es una constante elástica que, al igual que el límite elástico, puede encontrarse empíricamente con base al ensayo de tracción del material. 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. Carga de rotura o resistencia a la tracción: carga máxima resistida por la probeta dividida por la sección inicial de la probeta. 18

19 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. Probeta de cobre antes del ensayo de tensión por computadora. Probeta de cobre fractura en el ensayo de tensión. Modulo de elasticidad Material E 1 2 [ MPa ] E [ kg/cm² ] 19

20 Goma 7 70 Cartílago (humano) Tendón (humano) Polietileno, Nylon Madera (laminada) Madera (según la fibra) Hueso (fresco) Hormigón / Concreto Aleaciones de Mg Granito vidrio Aleaciones de Al Latón Bronce Hierro colado < < Hierro forjado <

21 Acero Tensión de Rotura Metales Material σ R [ MPa ] σ R [ kp/cm² ] Acero de alta resistencia Acero dulce comercial Hierro colado Fundición maleable Aluminio Aluminio aleado Cobre Bronce Aleaciones de Mg Dureza Aleaciones de Ti La dureza es una propiedad mecánica de los materiales consistente en la dificultad que existe para rayar (mineralogía) o crear marcas en la superficie mediante micropenetración de una punta (penetrabilidad). En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza. El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica. Ensayos de Dureza Dureza Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de W. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de menos de 6mm de espesor. Estima resistencia a tracción. Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza standard. Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se 21

22 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. Rockwell superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial. Dureza Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón con un valor de 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 Vickers: 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 2mm de espesor. Dureza Webster: 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. Dureza Brinell Se denomina dureza Brinell a la medición de la dureza de un material mediante el método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar. Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El indentador usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo típico se suele utilizar una bola de acero de 10 milímetros de diámetro, con una fuerza de 3000 kilopondios. El valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material. 22

23 La bola penetra dejando una marca El peso de la bola se puede obtener con la siguiente expresión: donde: : carga a utilizar medida en [ kp ]. : constante para cada material, que puede valer 5 (aluminio, magnesio y sus aleaciones), 10 (cobre y sus aleaciones), y 30 (aceros). : diámetro de la bola (indentador) medida en [mm]. Este ensayo sólo es válido para valores menores de 600 HB en el caso de utilizar la bola de acero, pues para valores superiores la bola se deforma y el ensayo no es válido. Se pasa entonces al ensayo de dureza Vickers. Ambos métodos son del tipo ensayo no destructivo. Fórmula aplicada Para determinar el valor de la dureza Brinell se emplea la siguiente ecuación: donde: : carga a utilizar medida en [ kp ]. : diámetro de la bola (indentador) medida en [mm]. : diámetro de la huella en superficie en [mm]. 23

24 Valores típicos El valor HB suele ser menor que 600. Acero (blando): 120 HB Acero de herramientas: 650 HB Acero inoxidable: 250 HB Aluminio: 15 HB Cobre: 35 HB Madera: entre 1 HB y 7 HB Vidrio: 550 HB Tiempo de duración del ensayo Material Hierros y aceros Cobre, bronces y latones Aleaciones ligeras Estaño y plomo Materiales muy blandos Tiempo 10 a 30 segundos 30 segundos 60 a 120 segundos 120 segundos 120 segundos Nomenclatura: HB = (D/P/T) En el que D es el diámetro de la bola; P, la carga, y T, el tiempo de duración del ensayo. Así por ejemplo: HB (10/3000/30) Quiere decir ensayo Brinell con la bola de 10 mm. Aplicada con carga de 3000 Kg. Durante 30 segundos. Sin embargo, en este caso, como es el ensayo considerado como el normal de Brinell muchas veces no se indica más que HB. Aquí tenemos la dureza Brinell de algunos materiales: Acero de herramientas templado Acero dulce (0.80% de carbono)

25 Acero dulce (0.10% de carbono) Bronce Latón Aluminio a 30 Dureza Rockwell La dureza Rockwell o ensayo de dureza Rockwell es un método para determinar la dureza, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de dureza Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar prácticamente cualquier metal o aleación. Hay dos tipos de penetradores: unas bolas esféricas de acero endurecido (templado y pulido) de 1/16, 1/8, ¼ y ½ pulg, y un penetrador cónico de diamante con un ángulo de 120º +/- 30' y vértice redondeado formando un casquete esférico de radio 0,20 mm (Brale), el cual se utiliza para los materiales más duros. El ensayo consiste en disponer un material con una superficie plana en la base de la máquina. Se le aplica una precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la deformación elástica y obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica durante unos 15 segundos un esfuerzo que varía desde 60 a 150 kg a compresión. Se desaplica la carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de material que se utilice. También se puede encontrar la profundidad de la penetración con los valores obtenidos del durómetro si se conoce el material. Para no cometer errores muy grandes el espesor de la probeta del material en cuestión debe ser al menos diez veces la profundidad de la huella. También decir que los valores por debajo de 20 y por encima de 100 normalmente son muy imprecisos y debería hacerse un cambio de escala. El cambio de escala viene definido por tablas orientativas, puesto que no es lo mismo analizar cobre que acero. Estas tablas proporcionan información orientativa sobre qué escala usar para no dañar la máquina o el penetrador, que suele ser muy caro 25

26 Muestra del funcionamiento del ensayo Rockwell. El penetrador precarga, luego carga, y luego descarga; la relación entre la precarga más la carga y la descarga indica la dureza del material. Nomenclatura Las durezas Rockwell y Rockwell Superficial vienen dadas por la siguiente fórmula: Dónde: n es la carga aplicada en kg HR es el identificativo del ensayo Rockwell Letra va seguida de HR y es la letra identificativa de la Escala usada Escalas de dureza Rockwell Símbolo de la escala Penetrador Carga mayor (kg) Aplicaciones A Diamante 60 Aceros tratados y sin tratar. Materiales muy duros. Chapas duras y delgadas. B Bola de 1/16 pulgada 100 Aceros recocidos y normalizados. C Diamante 150 Aceros tratados térmicamente. D Diamante 100 Aceros cementados. 26

27 E Bola de 1/8 pulgada 100 Metales blandos y antifricción. F Bola de 1/16 pulgada 60 Bronce recocido. G Bola de 1/16 pulgada 150 Bronce fosforoso y otros materiales. H Bola de 1/8 pulgada 60 Metales blandos con poca homogeneidad, fundiciones con base hierro. K Bola de 1/8 pulgada 150 Aplicaciones análogas al tipo anterior. Ensayo de Metalografía La metalografía estudia la estructura de los metales y sus aleaciones éstos tienen un enorme campo de aplicación en las construcciones mecánicas y metálicas. Ensayo Micrográfico Los ensayos micrográficos se realizan sobre muestras o probetas de los materiales que han de ser sometidos a estudio, preparamos una superficie que luego de ser pulida convenientemente, se ataca con reactivos químicos apropiados a la finalidad de la determinación a realizar. Si el examen se ejecuta para analizar una fractura, la que se sospecha provocada por irregularidades en el material, las muestras deberán ser por lo menos dos, una de la propia fractura y otra de una zona intacta de la misma pieza, con el objeto de observar y comparar las modificaciones que ha sufrido la estructura y de las que se podrán deducir y contar con una mayor cantidad de datos, es necesario tener en cuenta además, los tratamientos recibidos por la pieza en su fabricación, como forjado, laminado, recocido, temple, etc. pues en muchos casos (forjado y laminado) es beneficio contar con muestras en las distintas direcciones de sus fibras. Como se ha indicado, el estudio en si se hace sobre superficies convenientemente preparadas de dichas muestras o probetas. Esta preparación consistente en llegar a un pulido casi perfecto, para lo cual se parte de un desbaste que podríamos llamar grueso, con el fin de 27

28 aplanar la superficie, lo que se consigue con un ajuste a lima o con el auxilio de devastadoras mecánicas de diseño especial. Los reactivos químicos y sus finalidades son muy variadas, pero en principio se busca con ellos la revelación, por coloración o por corrosión, de los distintos componentes de una estructura metalografica para poder diferenciarlos con facilidad. Por lo general, están constituidos por ácidos, álcalis, etc. diluidos en alcoholes, agua, glicerina, etc. Y su elección se hará de acuerdo con la naturaleza química la estructura a destacar en la muestra. Con tal fin, una vez pulida la superficie se hará en agua caliente, frotándola con un algodón o tela suave para quitarle todo rastro de las operaciones anteriores o grasitud que pueda presentar, concluyendo esta limpieza con alcohol etílico o solvente similar y secándola con un soplado de aire caliente. Las fotografías obtenidas de estos exámenes, genéricamente llamados Microfotografías, se logran con la ayuda del microscopio metalográfico, cuyos principios ópticos y de observación no difieren mayormente de los comunes. En él, con iluminación adecuada de una, se observa por reflexión (los rayos luminosos al incidir sobre el objeto se refleja hacia el ocular), la imagen de la superficie atacada, a través de un sistema de lentes con los que se amplifica según lo que requiera la observación. Por otra parte, con la observación de las estructuras micrográficas y por comparación con microfotográfias, es posible deducir el contenido aparente de carbono, finura y variedad de los componentes, clasificación de aceros, reconocer las inclusiones por defectos de fabricación (óxidos, silicatos, oxisulfuros, silicoaluminatos), etc Ensayo Compresión El ensayo de compresión es poco frecuente en los metales y consiste en aplicar a la probeta, en la dirección de su eje longitudinal, una carga estática que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuyo valor se irá incrementando hasta la rotura o suspensión del ensayo. El diagrama obtenido en un ensayo de compresión presenta, al igual que el de tracción un periodo elástico y otro plástico. En los gráficos de metales sometidos a compresión, que indica la figura siguiente obtenidas sobre probetas cilíndricas de una altura doble con 28

29 respecto al diámetro, se verifica lo expuesto anteriormente, siendo además posible deducir que los materiales frágiles (fundición) rompen prácticamente sin deformarse, y los dúctiles, en estos materiales el ensayo carece de importancia, ya que se deforman continuamente hasta la suspensión de la aplicación de la carga, siendo posible determinar únicamente, a los efectos comparativos, la tensión al limite de proporcionalidad. En los gráficos de metales sometidos a compresión, que indica la figura siguiente obtenidas sobre probetas cilíndricas de una altura doble con respecto al diámetro, se verifica lo expuesto anteriormente, siendo además posible deducir que los materiales frágiles (fundición) rompen prácticamente sin deformarse, y los dúctiles, en estos materiales el ensayo carece de importancia, ya que se deforman continuamente hasta la suspensión de la aplicación de la carga, siendo posible determinar únicamente, a los efectos comparativos, la tensión al limite de proporcionalidad. Probetas para compresión de metales En los ensayos de compresión, la forma de la probeta tiene gran influencia, por lo que todos ellos son de dimensiones normalizadas. El rozamiento con los platos de la maquina hace aparecer, como dijimos, un estado de tensión compuesta que aumenta la resistencia del material, la influencia de estas tensiones va disminuyendo hacia la sección media de la probeta, razón por la cual se obtiene mejores condiciones de compresión simple cuando están se presenta con forma prismáticas o cilíndricas de mayores alturas, las que se limitan, para evitar el efecto del flexionamiento lateral debido al pandeo. Determinaciones a efectuar en un ensayo de Compresión En general es posible efectuar las mismas determinaciones que en el ensayo de tracción, por lo que solo insistiremos en las más importantes. Resistencia estática ala compresión: 29

30 Tensión al límite proporcional: En los metales muy maleables, que se deforman sin rotura, la tensión al límite proporcional resulta el único valor empleado a los fines comparativos. Tensión al límite de aplastamiento: El valor de Pf que corresponde al límite de aplastamiento es equivalente al de fluencia por tracción, no presentándose en forma tan nítida como este ni aun en los aceros muy blandos, por lo que generalmente se calcula, en su reemplazo, la tensión de proporcionalidad. Acortamiento de rotura correspondiente al alargamiento de rotura por tracción. Ensanchamiento transversal. Corresponde a la estricción en tracción. Ensayo de Flexión El esfuerzo de flexión puro o simple se obtiene cuando se aplican sobre un cuerpo pares de fuerza perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que provoquen el giro de las secciones transversales con respecto a los inmediatos. Sin embargo y por comodidad para realizar el ensayo de los distintos materiales bajo la acción de este esfuerzo se emplea generalmente a las 30

31 mismas comportándose como vigas simplemente apoyadas, con la carga concentrada en un punto medio (flexión practica u ordinaria). En estas condiciones además de producirse el momento de flexión requerido, se superpone al un esfuerzo cortante, cuya influencia en el calculo de la resistencia del material varia con la distancia entre apoyos, debido a que mientras los momentos flectores aumentan o disminuyen con esta, los esfuerzos cortantes se mantienen constantes, como puede comprobarse fácilmente en la figura, por lo que será tanto menor su influencia cuanto mayor sea la luz entre apoyos. Es por esta razón que la distancia entre los soportes de la probeta se ha normalizado convenientemente en función de la altura o diámetro de la misma, pudiendo aceptar entonces que la acción del esfuerzo de corte resulta prácticamente despreciable. Para ensayos más precisos la aplicación de la carga se hace por intermedio de dos fuerzas con lo que se logra flexión pura. Resistencia a la Flexión La formula de la tensión será, como ya sabemos la relación del esfuerzo con la sección donde actúa. El momento flector máximo en la viga es igual: Mf max = P. ( L d ) / 4 Siendo P la carga total, L la distancia entre apoyos y d la separación entre las cargas (ver dibujo en la pag. Siguiente) Si el modulo resistente Wz es: Wz =. d³ /32 Remplazando en la formula que determina la tensión y considerando el momento flector máximo, obtenemos la resistencia estática o modulo de rotura de la flexión. 31

32 Flecha-Modulo de elasticidad Cuando el material es sometido a la acción de la carga, la línea neutra se ira flexionando denominándose FLECHA a la distancia vertical entre la posición inicial de dicha línea y las posiciones instantáneas que tome, medidas en el lugar de mayor flexionamiento de la probeta. Probetas Teniendo en cuenta las grandes variaciones que pueden presentar las fundiciones en las distintas coladas y según sus elementos componentes, las normas indican la forma correcta de extraer las muestras que se utilizarán en las experiencias; es así que tenemos las fundidas con la pieza; para lo cual se preparan los, lo que estarán dispuesto en condiciones tales que se evite la acumulación de impurezas en ellos y que la solidificación se realice en idénticas condiciones que la de toda la masa metálica. Condiciones de Ensayos Ya hemos dicho que el ensayo de flexión en metales se realiza en aquellos frágiles y muy especialmente en las fundiciones en las que, si bien no resulta el que define mejor sus propiedades mecánicas, se justifica teniendo en cuenta que las mismas se encuentran sometidas, en muchos de sus usos, a esfuerzos similares, pudiendo reemplazar en esos casos al ensayo primario de tracción. El valor de las flechas en los ensayos de verificación, suele ser un requisito a satisfacer indicándose, de acuerdo al empleo del material una máxima o mínima según que se desee su comportamiento como flexible o frágil. Ensayo de Plegado El plegado a temperatura ambiente es un ensayo tecnológico derivado del de flexión, se realiza para determinar la ductilidad de los materiales metálicos (de él no se obtiene ningún valor específico). Este ensayo es solicitado por las especificaciones en la recepción de aceros en barras y perfiles, para la comprobación de la tenacidad de los mismos y después de haber sido sometido al tratamiento térmico de recocido. El material se coloca entre los soportes cilíndricos, aplicando la carga lentamente hasta obtener el ángulo de plegado especificado para el mismo, o bien cuando se observa la aparición de las primeras fisuras en la cara inferior o la sometida a tracción. 32

33 La luz entre los bordes de los apoyos se toma aproximadamente igual al diámetro del elemento transmisor del esfuerzo, más tres veces el espesor del material. L = d + 3 D Generalmente el plegado se obtiene en dos etapas y se realiza con un ángulo de 180º. 1º- Colocando el material en el dispositivo anterior se efectúa el flexionamiento hasta un determinado ángulo. 2º-Se termina la operación con los platos de compresión hasta lograr un ángulo de 180º. El ensayo dará resultado satisfactorio o, en otras palabras, el material será aceptado si no presenta sobre su parte estirada grietas o resquebrajaduras a simple vista. Ensayo de Choque En elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas, las que pueden aparecer circunstancialmente, su falla se produce generalmente, al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aun en aquellos metales considerados como dúctiles. En estos casos es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto. El ensayo de tracción estático nos da valores correctos de la ductilidad de un metal, no resulta preciso para determinar su grado de tenacidad o fragilidad, en condiciones variables de trabajo. Los ensayos de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la fractura de la probeta de un solo choque, el que se refiere a la unidad de área, para obtener lo que se denomina resiliencia. Este nuevo concepto, tampoco nos ofrece una propiedad definida del material, sino que constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos realizados en idénticas condiciones, por lo que se debe tener muy en cuenta los distintos factores que inciden sobre ella. Resumiendo diremos que el objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una maquina o estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo, muy especialmente cuando las piezas experimentan concentración de tensiones, por cambios bruscos de sección, maquinados incorrectos, fileteados, etcétera, o bien verificar el correcto tratamiento térmico del material ensayado. 33

34 Método de Ensayo Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o martillo pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas el método Izod y el método Charpy. En ambos casos la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, por lo que se los denomina flexión por choque. Flexión por choque sobre barras simplemente apoyadas (MÉTODO CHARPY) Con la finalidad de que el material esté actuando en las más severas condiciones, el método Charpy utiliza probetas ensayadas (estado triaxial de tensiones) y velocidades de deformación de 4,5 a 7m/s, entorno recomendado por las normas el de 5 a 5,5m/s. Las probetas se colocan, como muestra la figura siguiente, simplemente apoyadas sobre la mesa de máquina y en forma tal que la entalladura se encuentra del lado opuesto al que va a recibir el impacto. En la misma figura se puede observar la correcta posición del material como así también la forma y dimensiones de los apoyos y de la pena del martillo pendular. Probeta CHARPY lista para ensayar Las I.R.A.M aconsejan realizar el ensayo de choque por el método Charpy, con el empleo de probetas entalladas aprobadas por I.S.O (Internacional Standard Organización, ex I.S.A) que tienen las dimensiones indicadas en la figura. 34