informe # 1
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Martínez Sarmiento Edgar AlexisGrupo # 1
Informe # 12010/10/04
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Facultad de Ingeniería Mecánica
Tecnología de Conformado Mecánico
TEMA: Materiales usados en ingeniería mecánica
Objetivos: Tipos de materiales
Clasificación de los materiales
Estructuras, unidad estructural
Propiedades
Solicitaciones mecánicas
Normas
Ensayo de indentación
MARCO TEÓRICO:
Tipos de materiales
NATURALES
Metálicos
Cerámicos
Maderas
ARTIFICIALES
Polímeros + Elastómeros
CompuestosAleaciones
Diferenciados
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Clasificación de los materiales:
Los materiales empleados en ingeniería mecánica pueden ser clasificados en diferentes
maneras. Una de ellas sería por su origen: Naturales y Artificiales.
Son naturales o puros los que se extraen directamente de la naturaleza, siendo suficiente
para ser empleados darles una forma adecuada mediante procesos físicos no
estructurales, como los metales, cerámicos y la madera y separarlos de otros a los que
están ligados.
Son artificiales aquellos que se preparan como mezclas o son productos de diversos
procesos que convierten a diferentes materiales en otros cuyas propiedades son
diferentes. Esta rama subdividida forma grupos de polímeros y elastómeros y dentro de
los materiales compuestos; las aleaciones y materiales diferenciados.
Polímeros y elastómeros:
Grupo de materiales normalmente obtenidos al unir moléculas orgánicas en cadenas o
redes moleculares gigantescas y más cortas para los elastómeros.
Los polímeros se caracterizan por baja resistencia, bajas
temperaturas de fusión y pobre conductividad eléctrica.
Los elastómeros son polímeros amorfos que a temperatura ambiente son
relativamente blandos y deformables.
Imágenes[http://es.wikipedia.org].
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Sus usos varían de acuerdo a la necesidad, estos oscilan entre la petroquímica y la
vulcanización y pueden formar desde llantas a chicles y otro tipo de productos de uso
cotidiano y no cotidiano todo depende de las capacidades de temperatura, presión y
tiempo.
Al hablar de elastómero nos referimos al producto que se obtiene de la madera llamada
látex que es única con capacidades de deformación y restauración, mientras que los
polímeros a pesar de formarse de igual manera; con cadenas de compuestos orgánicos,
en sí se obtienen en base al petróleo (hidrocarburos). También se habla de carbono
(negrodiumo) y azufre.
Estructura
Básicamente se forman por cadenas cortas (elastómeros) o largas (polímeros) formadas
por hidrocarburos (compuestos orgánicos). También se puede identificar dos tipos de
ordenamiento de cadenas como son las Lineales y las Cíclicas. Su unidad estructural
para ambos es el mero. Imágenes [http://es.wikipedia.org].
Lineales Cíclicas
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Madera
Es la parte sólida de los árboles que está cubierta por la corteza, son fibras vegetales
secas o también conocido como bagazo del árbol en sí, sin savia ni humedad.
[http://es.wikipedia.org]
Estructura
Su estructura es celulósica y su unidad estructural es la célula.
Metales
Grupo de materiales que tienen características generales de buena ductibilidad,
resistencia y conductividad eléctrica y calórica.
Estas propiedades se atribuyen al metal por la singularidad de tener gran número de
electrones deslocalizados que no pertenecen a ningún átomo en concreto.
Los metales son resistentes, aunque deformables, lo que contribuye a su utilización en
aplicaciones estructurales.
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Estructura
La estructura de los metales es cristalina, esto es totalmente ordenada, de largo alcance
porque se forma un solo vector de formación, lo que implica que para cada posición se
observaría un panorama idéntico. Se presentan espacialmente únicamente siete sistemas
geométricos posibles como se observa en la siguiente tabla. [ASKELAND, 1998]
A continuación esquematicamente se puede observar algunas variaciones de
distribución atómica en las estructuras básicas de los sistemas geométricos, o de otra
manera se lo llama organización atómica. [ASKELAND, 1998]
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Los compuestos cristalinos como estos tienen como unidad estructural la celda.
Una celda unitaria es una subdivisión de la red que sigue
conservando las características de la red.
Una red es un arreglo periódico de puntos que definen un espacio.
[ASKELAND, 1998]
Estas redes se las denomina también como redes de Bravais.
Cerámicos
Grupo de materiales que se caracterizan por una buena resistencia y altas temperaturas
de fusión, pero con ductilidad y conductividad eléctrica deficientes. Típicamente,
materias primas cerámicas son compuestos metálicos y no metálicos.
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Como ejemplo de cerámicos están la arcilla, el cemento y el vidrio que por lo general
son duras y muy frágiles.
Una variedad de cerámicos tienen la propiedad de ser transparentes, de tal manera que
logran cierta propiedad óptica como ventaja de gran utilidad.
Su uso muy a menudo está relacionado con el aislamiento térmico u eléctrico.
Estructura
Presenta al igual que los metales una estructura cristalina pero a diferencia de esta que
son de corto alcance, esto es que no existe panorama idéntico para cada punto de red, el
posicionarse en un punto de red da diferentes posibilidades de alcance vectorial de
formación. [http://www.upv.es]
Compuestos
Se forman a partir de dos o más materiales, produciendo propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de manera individual.
El concreto, la madera contrachapada y la fibra de vidrio son claros ejemplos de este
tipo de materiales compuestos.
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Se puede con estos crear materiales ligeros, fuertes, dúctiles, resistentes a altas
temperaturas, o bien para producir herramientas de corte duras y a la vez resistentes al
impacto, en fin todo depende del uso que le queramos dar al material. [CALLISTER, ]
Estructura
La unidad estructural es compuesta de varios tipos de unidades por ser una combinación
de los otros tipos de materiales.
Propiedades de los Materiales
Físicas
Masa
Térmicas
Eléctricas
Ópticas
Mecánicas
Magnéticas
Químicas
Físico-Químicas
Propiedades Físicas
Son propiedades físicas cuando: Pasa la acción y luego desaparece la reacción. Entre
estas se encuentran las propiedades de:
Masa.- son propiedades de cada material así como la permeabilidad, entre otros.
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Térmicas.- determinan cuan buen o mal conductor de calor es el material.
Eléctricas.- propiedad que mide la capacidad de un material para conducir la
electricidad.
Ópticas.- las propiedades de paso de luz se hallan en esta rama.
Mecánicas.- estas son las que estudiaremos más profundamente.
Magnéticas.- cuantifican la capacidad magnética de cada material.
Propiedades Químicas
Son propiedades químicas cuando: Pasa la acción y permanece la reacción.
Propiedades Físico-Químicas
Son propiedades físico-químicas cuando: Pasa la acción y desaparece parcialmente una
parte y la otra se conserva.
Solicitaciones Mecánicas
Son propiedades mecánicas que se relacionan directamente con fuerzas externas al
material aplicadas en diferentes puntos y que al final se han cuantificado para
compararlas con otras.
Entre estas están la tracción, compresión, corte, torsión, flexión e indentación.
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Tracción.- aplicación de dos fuerzas en sentido contrario, igual
dirección y de la misma magnitud hasta rotura.
Compresión.- dos fuerzas de igual magnitud, igual dirección
sentido contrario, hasta rotura.
Corte.- resultado de la aplicación de dos fuerzas de igual
magnitud y sentido contrario en diferentes ejes, hasta rotura.
Torsión.- dos fuerzas aplicadas en diferentes ejes y con dirección
de torque diferente, hasta rotura.
Flexión.- se comprueba con esto la capacidad de restauración del
material; una fuerza y dos topes.
Indentación.- se incrusta de forma similar que clavar un diente, un
indentador para comprobar dureza.
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Normas
Es la misma solución para resolver un problema repetitivo, es una referencia respecto a
lo cual se juzgará un producto o una función, en esencia es el resultado de una elección
colectiva y razonada; es un documento del trabajo de numerosas personas durante
mucho tiempo y normalización, es la actividad conducente a la elaboración, aplicación y
mejoramiento de las normas. [VELASTEGUÍ; 2010]
Se especifican 3 tipos de normas:
ASTM Sistema Inglés
DIN Sistema Decimal
ISO Una mezcla de ambos
Ensayos normalizados
Ensayo de indentación
Como antes mencionamos, el ensayo se asemeja a clavar un diente en un bocadillo, en
este caso el bocadillo es cualquier elemento de una máquina apoyada sobre toda su
superficie inferior, y el diente es un indentador.
Podemos encontrar diferentes escalas normalizadas para medir dureza en un ensayo de
indentación como lo son la escala de Mohs, Shore, Brinell, Vickens y Rockwell.
Cada escala tiene su característica de referencia para medir la dureza de una pieza.
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Mohs:
La escala de Mohs es una relación de diez materiales ordenados en función de su
dureza, de menor a mayor. Se utiliza como referencia de la dureza de una sustancia. Fue
propuesta por el geólogo Friedrich Mohs y se basa en el principio que una sustancia
dura puede rayar a una sustancia más blanda, pero no es posible lo contrario.
Mohs eligió diez minerales a los que atribuyó un determinado grado de dureza en su
escala empezando con el talco, que recibió el número 1, y terminando con el diamante,
al que asignó el número 10. Su notación HXMH donde X valores de 1 a 10.
Cada mineral raya a los que tienen un número inferior a él, y es rayado por los que
tienen un número igual o mayor al suyo.
Dureza Mineral Comentario
1 Talco Se puede rayar fácilmente con la uña
2 Yeso Se puede rayar con la uña con más dificultad
3 Calcita Se puede rayar con una moneda de cobre
4 Fluorita Se puede rayar con un cuchillo de acero
5 Apatito Se puede rayar difícilmente con un cuchillo
6 Ortoclasa Se puede rayar con una lija para acero
7 Cuarzo Raya el vidrio
8 Topacio Rayado por herramientas de carburo de wolframio
9 Corindón Rayado por herramientas de carburo de Silicio
10 Diamante El mineral mas duro conocido, rayado solo por otro diamante.
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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.
Escleroscopio. [http://www.upv.es]
La notación es en este caso:
HXS donde X valores de 1 a 100.
Brinell:
En el ensayo de dureza Brinell el penetrador es una
bola de acero extraduro de diámetro D, que se apoya
sobre la probeta a estudiar; ejerciendo sobre la
misma una fuerza P durante un tiempo t dado,
aparece una huella de diámetro d sobre el metal.
HB = P/S
La notación es:
HXBr donde X valores entre 1 y 800.
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Rockwell:
En los ensayos de dureza Rockwell, las unidades de dureza se establecen por la medida
de la profundidad, e, de la huella de
acuerdo con el modelo:
HR = A - e (mm)/0.002 (2.50)
El ensayo es aplicable a todo tipo de
materiales metálicos:
a) Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al del
ensayo Brinell. En este ensayo, el parámetro A de la expresión 2.50 es 130.
b) Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120° de ángulo de
vértice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100 y 150
kilogramos.
c) Pequeños espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes, chapas
delgadas o también sobre capas endurecidas, cementadas o nitruradas. En este supuesto
se usa la modalidad de pequeñas cargas especificadas en la norma, 3 kilogramos de
precarga y 15, 30 o 45 kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como
Rockwell superficial.
Existen algunas escalas normalizadas (a-h) Rockwell, aunque las más importantes son:
HXRb dondeX valores de 20-100 indentador esférico 1/16pulg, precarga 10kg
HXRc donde X valores de 20-80 i. cónico diamante, precarga 150kg
HXRa donde X valores de 20-80 i. cónico diamante, precarga 60kg
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Práctica de medición de dureza:
Equipo: Durómetro Rockwell
Partes:
Base
1/16pulg
Indentadores Esféricos 1/8pulg
1/4pulg
Cónico con punta de diamante
Dial graduado (2 escalas) Esférico (Roja)
Cónico con punta de diamante (Negra)
Tornillo
Set
Dial 60
100
150
Proceso de medición:
1. La pieza a medir debe estar lo más paralela posible al dispositivo de medición y
debe tener por lo menos la cara del ensayo pulida.
2. Se gira tornillo hasta la marca del dial Set (precarga).
3. Se regresa el tambor al tope para que de lectura.
4. Se aprieta haciendo girar el tornillo hasta la marca 100 (Rockwell B)
5. Se regresa el tambor junto con el tornillo a la posición Set del dial y se toma la
lectura.
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Datos obtenidos y calculados:
Material Dureza Rockwell B Dureza Brinell
DF2 83.3 161
436 81.3 155
Construcción 74 134
Acero de Transmisión 88.6 176
[ASTM]
CONCLUSIONES:
La existencia de diferentes escalas normalizadas hace posible la medición de
dureza para diferentes utilidades, la precisión de cada una es relación directa con la
rama de ingeniería que requiera dicha medición.
Para el estudiante de ingeniería mecánica es elemental tener un amplio
conocimiento de los materiales básicos utilizados en esa rama.
RECOMENDACIONES:
En la parte práctica del informe se debe considerar que:
Se debe realizar por lo menos 5 mediciones en un durómetro manual.
Cada medición ha de realizarse en una posición mínimo 3 veces el diámetro del
indentador de distancia entre las huellas dejadas.
Al final es recomendable tomar las lecturas de dureza Rockwell y mediante tablas
convertirla a la escala universal Brinell
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BIBLIOGRAFÍA:
ASKELAND, D; La Ciencia e Ingeniería de los Materiales; Iberoamérica; 1998.
SHACKELFORD, J; Ciencia de Materiales para Ingenieros; Prentice
Hall Hispanoamericana; 1999.
CALLISTER, W; Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales; Reverte S.A
VELASTEGUÍ,T; Metrología; EPN; 2010
Annual Book of ASTM Standards Metal Test Methods and Analytical Proccedures; 85’
http://es.wikipedia.org/wiki/Ciencia_de_materiales#Clasificaci.C3.B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Escalas_de_dureza
http://www.upv.es/materiales/Fcm/Indice_FCM.html
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