Ciencia de los materiales. Guía 1 1 CIENCIA DE LOS MATERIALES

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1 Ciencia de los materiales. Guía 1 1 CIENCIA DE LOS MATERIALES

2 Ciencia de los materiales. Guía 1 1 Tema: IDENTIFICACIÓN DE MATERIALES Contenidos Análisis cualitativos y semi cuantitativos de los materiales Objetivos Específico Al finalizar la práctica, el estudiante será capaz de: Identificar por lo menos 4 diferentes tipos de materiales con base a la comparación visual de la chispa, a la respuesta a la atracción magnética y a la medición indirecta de densidades en las muestras de material proporcionados. Comparar sus resultados con información de materiales que pueda encontrar con ayuda de las TIC Materiales y Equipo Tabla 1 lista de materiales. ITEM Cantidad Designación 1 2 Barras cilíndricas de acero AISI 1020 de 1 X 1 L 2 2 Barras cilíndricas de acero AISI 1045 de 1 X 1 L 3 2 Barras cilíndricas de acero AISI 4340 de 1 X 1 L 4 2 Barras cilíndricas de acero AISI 01 de 1 X 1 L 5 2 Barras cilíndricas de acero AISI 304 de 1 X 1 L 6 2 Barras cilíndricas de aluminio AISI X 1 L 6 2 Barras cilíndricas de bronce fosfórico 1 X 1 L 7 2 Muestras de vidrio 8 2 Muestras de polímero 9 2 Muestras de materiales cerámicos 10 2 Esmeril de banco 11 4 Tenaza de presión 12 6 Par de guantes de carnaza 13 2 Balanza electrónica de precisión 14 2 Probeta de cristal o plástico de 100 ml (graduada) Lentes de seguridad (uno por participante) 16 2 Imán permanente 17 3 Calibrador Vernier (Pie de Rey )

3 Ciencia de los materiales. Guía 1 2 Marco Teórico La identificación de los materiales puede hacerse de diferentes formas: a) Composición química. b) Sus estructuras: macrográfica, micrográfica, cristalina. c) Por las temperaturas a que se funden o solidifican. d) Por sus transformaciones alotrópicas, etc. Pues bien, para poder conocer o comprobar las propiedades y características de los materiales de ingeniería, es necesaria la ejecución de ensayos y pruebas. A continuación una breve descripción de algunos ensayos comúnmente utilizados para la identificación de materiales, si el lector está interesado en otros ensayos o pruebas, se recomienda visitar el sitio Ensayos de composición química Tiene por objeto establecer la composición química de los materiales, que consiste en conocer qué elementos y compuestos conforman un material y en qué cantidades se encuentran, este procedimiento se divide en dos partes: a) Análisis químico cualitativo. b) Análisis químico cuantitativo. Mientras que el primero trata del reconocimiento de los compuestos o elementos existentes en un material, el análisis cuantitativo se interesa por determinar el porcentaje de esas sustancias. En cualquier caso, la información necesaria se obtiene mediante una propiedad física que esté relacionada de modo característico con el elemento químico que se investiga (Carbón, Fósforo, Cromo, Níquel, etc.). Si el lector está interesado en las propiedades físicas, mecánicos o en la composición de un material en particular se le recomienda visitar el sitio Análisis cualitativos y semi cuantitativos a) Prueba Magnética La comprobación magnética de diferentes aceros ferro-magnéticos se puede distinguir fácilmente de los que no los son por medio de un imán. Aceros magnéticos son todos los aceros cuya estructura contiene perlita, ferrita, bainita o martensita. Están comprendidos todos los aceros no aleados, los de baja y media aleación, los aceros al Cromo- Silicio y al Cromo, y los aceros con menos de 10% de Manganeso. Aceros no magnéticos son los que tienen estructura austenítica como los aceros al Cromo - Níquel, aceros con más de 10% de Manganeso y los aceros con más de 20% de Níquel. b) Prueba de la Densidad. Si consideramos los diferentes materiales para la construcción de objetos y de piezas mecánicas, es fácil deducir que no todos poseen el mismo peso aún cuando todos tengan las mismas dimensiones geométricas.

4 Ciencia de los materiales. Guía 1 3 Definimos la densidad como la razón que existe entre la masa del material y el volumen que la contiene, matemáticamente se expresa de la manera siguiente: ρ = m/v Sus unidades en el Sistema Internacional son [Kg/m 3 ], aunque también es común expresarla en g/cm 3. A cada material se le puede medir su densidad, a veces es difícil establecer la diferencia de densidad entre dos materiales, como en el caso de familias de materiales, un ejemplo es la familia de aceros al carbono donde es necesario utilizar equipo muy sensible para establecer la diferencia en densidad entre uno y otro. c) Ensayo de chispa. Para identificar de una forma rápida y aproximada el tipo de acero y el porcentaje de carbono que se posee en el acero, existe el ensayo de chispa. Con esto se puede reconocer la calidad del acero de una determinada pieza, no obstante se requiere experiencia para la identificación y dar una interpretación correcta a la chispa producida. La chispa se produce al presionar una pieza de una aleación ferrosa contra una muela de esmeril girando a gran velocidad arrancándole partículas de material, las cuales son proyectadas tangencialmente por la periferia de la muela. Al mismo tiempo que tiene lugar este desprendimiento de material, se produce un fuerte calentamiento local, las partículas se desprenden a altas temperaturas que las ponen incandescentes, produciéndose rayos luminosos, chispas, explosiones, estrellas, arborescencias luminosas, etc. Este ensayo no puede sustituir al análisis químico, pero alguien con un ojo bien entrenado, reconoce bastante bien los materiales y la presencia de ciertos elementos de aleación. NOTA: Debe tenerse en cuenta que la carburación o descarburación de un acero puede ser causante de clasificar mal un acero, si para hacer la prueba de la chispa necesita una porción de una pieza, NO SOBRECALIENTE LA MUESTRA AL MOMENTO DE SEPARARLA DE UNA PIEZA! Cada tipo de acero produce una serie de chispas características, mediante la observación de éstas y la comparación con fotografías pueden identificarse determinados tipos de aceros. En cuando al tipo de chispas proyectadas, aquí se indican algunas características importantes: Características de la chispa Un haz de chispa puede dividirse en tres partes principales las cuales son mostradas en la figura 1. La primera, a la salida de la piedra del esmeril, que se encuentra formada por rayos rectilíneos en los que puede observarse perfectamente el color característico. La segunda zona es la de bifurcación, y algunas veces tiene lugar en ella algunas explosiones.

5 Ciencia de los materiales. Guía 1 4 La tercera y última zona, es donde aparecen la mayor parte de las explosiones, adopta diversas formas, que se denominan estrellas, gotas, lenguas, flores, etc. La observación debe de hacerse, en lo posible, en lugar oscuro. La rueda de esmeril debe de girar en sentido contrario al ordinario, para que el haz de chispas se proyecte hacia arriba y poder así observarlo mejor. Figura 1 Características de las diferentes tipos de chispas y sus etapas de desarrollo. Influencia de los componentes Carbono: Los aceros que contienen entre 0.15 y 0.13 % de carbono C dan chispas formadas por rayos lisos de color amarillo oscuro, en cuya punta aumenta ligeramente el volumen y la luminosidad. A medida que aumenta el contenido de carbono, aumenta el número de explosiones en formas de lanzas y flores, siendo más brillantes y luminosas. Molibdeno: se identifica, en los aceros que lo contienen, por aparecer en los extremos de los rayos amarillos una prolongación completamente separada de color rojo anaranjado. Wolframio: también se identifica con facilidad, porque da chispas de color rojo oscuro, menos luminoso que el de todos los aceros, que sólo se aprecia en locales oscuros. Si la cantidad de Wolframio es más de 18%, las chispas son todas rojas, aunque a veces se producen ligeras explosiones de color rojo. A continuación presentamos unas fotografías de algunos aceros ensayados por chispa. Para ver una lista más completa, el lector debe visitar la referencia [5]. Chispas de diferentes tipos de aceros (Acero templado y revenido (AISI-Standard 4140)

6 Ciencia de los materiales. Guía 1 5 Acero AISI 1045 Acero para herramienta AISI Standard W1 Acero aleado con Mn-Si AISI Standard S4

7 Ciencia de los materiales. Guía 1 6 Acero aleado para herramienta AISI Standard O2 Analice cuidadosamente cada una de las figuras anteriormente presentadas ya que de esto depende el aprovechamiento de la práctica a

8 Ciencia de los materiales. Guía 1 7 realizar Procedimiento Parte I Medición de la densidad: Como bien se explicó anteriormente, la densidad de un material se puede calcular si se conoce de éste su masa (en kg ó Lb) y su volumen ocupado (en m 3, ft 3, ml). Pues bien, la razón masa por unidad de volumen dará un valor aproximado de la densidad del objeto en análisis. Este es un método indirecto y su efectividad depende de precisión del equipo y los instrumentos de medición utilizados para ello. También, dado que los materiales no se encuentran en estado puro sino aleado, existirán variaciones entre el valor medido y el encontrado en la carta del material. 1.- Proceda a medir (con la balanza) la masa de las piezas asignadas, misma a las que posteriormente se les medirá su volumen, ya sea usando la probeta graduada, por el líquido desalojado, o por aspectos geométricos, si la probeta es cilíndrica. Luego se procede a determinar su densidad, deje constancia de las medidas efectuadas en el informe de laboratorio 2.- Siga el procedimiento indicado para los diferentes tipos de materiales que se le entregarán. Complete el cuadro comparativo entre los valores calculados y los que sugieren los textos o cartas de materiales. En las conclusiones, citar las referencias de donde se obtuvo la densidad, para cada material ensayado. Parte II Utilizando muestras de aleaciones que se proporcionan y con base a las figuras de ensayo de chispa presentadas anteriormente, realice para cada uno el ensayo de la chispa y describa el tipo de chispa generada cuando la pieza entra en contacto con la muela abrasiva. Repita el mismo procedimiento para cada pieza. No olvide utilizar el equipo de protección personal necesario para el desarrollo de esta práctica, así como también, seguir todas las indicaciones dadas por su instructor a cargo. Haciendo un análisis comparativo, complete los datos solicitados en la tabla 2. Tabla 2a. Análisis de resultados No Material Densidad medida(kg/m 3 ) Densidad investigada(kg/m 3 ) % de diferencia entre densidades

9 Ciencia de los materiales. Guía Tabla 3b. Análisis de resultados No Material Magnético (si o no) Descripción del tipo de chispa (según figuras) Identificación tentativa (según figuras) Análisis de resultados Presente la tabla I con el nombre del material que corresponda según lo observado durante la práctica. Investigue sobre las normas AISI - SAE para identificación de metales ferrosos y no ferrosos Presente la designación equivalente en otras normas diferentes a la AISI, para cada uno de los tipos de aceros presentados y cuyos ensayos de chispa son ilustrados arriba. En las páginas web investigue las densidades de los materiales proporcionados e inclúyalas en la tabla 2a. Tarea Complementaria Investigue sobre la clasificación de los materiales que hace la matweb.

10 Ciencia de los materiales. Guía 1 9 Fuentes de información 1) Avner, S. (1988) Metalurgia Física, México D.F. McGraw-Hill. 2ª edición 2) Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición 3) Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición. 4) Neely, J. E., Kibbe, R.R. y García Diaz, R. (1992) Materiales y Procesos de Manufactura. México D. F. Limusa. 5) 6) 7) 8) Cuadro de rúbricas de la evaluación Aspecto a evaluar: Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la investigación, Nombre del tema, Nombres de los autores, fecha de entrega. Todas las partes deberán ser legibles Objetivos y Procedimiento abreviado Puntaje obtenido/puntaje máximo Requisito Requisito Examen previo (individual) 30 Mediciones efectuadas y Tablas de datos Cálculos efectuados correctamente Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web y otros (al menos en 3 sitios confiables) Discusión y conclusiones: Comparación de los resultados experimentales con lo reportado en sitios web confiables (éstos se considerarán los valores teóricos), indicar si se lograron los objetivos o no y porqué. Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo La ortografía debe ser impecable. La redacción debe ser clara y concisa. Requisito Requisito Requisito No lleva gabacha (individual) - 10 Cálculos erróneos Comentarios

11 Ciencia de los materiales. Guía 1 10 No lleva guía de laboratorio (individual) - 10 No colabora o se comporta indebidamente (individual) - 10 Forma de entrega: Por correo electrónico, identificado como Lab1-(nombre del grupo), tipo de archivo:.doc o.docx, solo si es muy extenso podrá enviarse en PDF, el envío será al correo electrónico del docente, quien deberá responder de recibido. Si la entrega es informe Impreso, se le dará personalmente al docente, los estudiantes podrán llevar una hoja para que las firme el docente, haciendo constar de que fue recibido % por cada día de retraso. TOTAL 100 El informe se entregará una semana después del laboratorio, ejemplo: si el laboratorio se efectúa el lunes, a mas tardar el lunes siguiente se entregará al responsable del laboratorio. Entrega tardía: 10 % menos cada día. Si no cumple con los requisitos se devolverá el informe, con la condición de regresarlo el día siguiente, descontándosele 10 % por no cumplir con los requisitos y por cada día de retraso se descontará 10 % adicional. El alumno deberá respetar la normas de seguridad del laboratorio, si hay violación a estas normas, el instructor podrá expulsar de la sesión al infractor, conllevando a la perdida de la nota de esa sesión, sin posibilidad de solicitarla diferida.