Presentación sobre el ensayo de metales y su aplicación en la ingeniería civil

1. QUÍMICA INORGÁNICA
ENSAYO DE
METALES

2. IMPORTANCIA
LOS METALES
SON ELEMENTOS QUÍMICOS QUE SE
CARACTERIZAN POR SER BUENOS
CONDUCTORES DEL CALOR Y
ELECTRICIDAD, TENER ALTA DENSIDAD Y
SER SÓLIDOS A TEMPERATURA AMBIENTE
(EXCEPTO EL MERCURIO Y EL GALIO).
Tienen una gran importancia
en la ingeniería civil, ya que
se utilizan para fabricar
estructuras que soportan
peso, reforzar otros
materiales y dar acabados
De los 118 elementos de la tabla periódica,
91 son metales. Los podemos clasificar en
cuatro grupos generales.
Metales alcalinos, Metales alcalino térreos,
Metales de transición, Metales post-
transición

3. PROPIEDADES DE LOS METALES
Las propiedades químicas
de los metales están
determinados por los
electrones de valencia y
por su electronegatividad.
PROPIEDADES
QUÍMICAS
Las propiedades físicas
de los metales se refieren
a aquellas cualidades
observables y medibles
que no alteran la
composición del
compuesto.
PROPIEDADES
FÍSICAS DUREZA
Es la propiedad que
expresa el grado de
deformación permanente
que sufre un metal bajo la
acción directa de una
carga determinada

4. PROPIEDADES QUÍMICAS
REACTIVIDAD
ALEACIONES
CORROCIÓN
Las propiedades químicas de los metales son
aquellas propiedades que se hace evidente durante
una reacción química (que existe un cambio); es
decir, cualquier cualidad que puede ser establecida
solamente al cambiar la identidad química de una
sustancia.
CLASIFICACIÓN:
ES decir, cualquier cualidad que puede
ser establecida solamente al cambiar la
identidad química de una sustancia.

5. PROPIEDADES QUÍMICAS
De acuerdo con Newell (2011):
La mayoría de los metales se encuentran en la
naturaleza como óxidos metálicos.
Estos óxidos metálicos se refinan en metales
puros a través de un proceso llamado fundido
en el cual el metal se extrae de su óxido a
través del uso de un agente reductor químico.
Una vez que el metal puro se forma, éste es
procesado hacia la forma deseada mediante
las operaciones de conformado que incluyen
el forjado, el laminado, la extrusión y el
trefilado.
Una vez obtenido el metal puro, se procesa
de la siguiente manera:

6. los grandes granos del
material deforme forman
un material (subgranos) y
los esfuerzos residuales
se reducen. En esta etapa
las propiedades
mecánicas permanecen
sin cambios.
RECUPERACIÓN
el material se calienta hasta
su temperatura de
cristalización, ocurriendo
una nucleación de
pequeños granos en las
fronteras del subgrano,
reduciendo las
dislocaciones del material.
RECRISTALIZACIÓN
CRECIMIENTO DEL
GRANO
los granos pequeños
aumentan su tamaño,
consumiendo los granos
vecinos, hasta parecerse
a su forma inicial.
El reacomodo microestructural de los metales, puede ser revertido mediante un proceso térmico denominado
recocido, que consta de tres etapas:

7. EUTÉCTICO SENCILLO
DISOLUCIONES SOLIDAD
POR INTUICIÓN
DISOLUCIONES SÓLIDAS
INTERSTICISLES
COMPUESTOS
INTERMETÁLICOS
SEGÚN NEWELL
ALEACIONES
Las aleaciones, según Newell, “las
mezclas homogéneas de un metal con uno
o más metales o no metales, formando con
frecuencia una solución sólida”.
En la siguiente tabla, se observan las
aleaciones más comunes:
Propiedades Químicas de los Metales
Una aleación es un material que contiene
una mezcla de dos o más metales o
elementos no metálicos y posee propiedades
diferentes de sus metales base como, por
ejemplo, mayor resistencia o ligereza.
Tipos de
aleaciones:

8. EUTÉCTICO SENCILLO (MEZCLA
DE METALES PUROS:
dos metales diferentes y que no son solubles en estado sólido y que, al alcanzar la
temperatura adecuada, el material de ambos elementos se va acomodando por
capas solidificándose de forma conjunta.
Ejemplos: Pb-Cu y Al-Be.
Propiedades Químicas de los Metales
Los átomos de metal ocupan los espacios
interatómicos de la red cristalina metálica.
Aleaciones sólidas intersticiales entre un metal y un
no metal:

9. DISOLUCIONES SÓLIDAS POR
SUSTITUCIÓN
Disoluciones sólidas por sustitución: se presenta cunado los metales fundidos son
solubles entre sí en estado sólido y forman una estructura cristalina única, siempre y
cuando:
• Cristalicen el mismo sistema
• Poseen radios metálicos que difieran en más del 15%
• Tengan el mismo número de electrones de valencia
• Misma electronegatividad
Propiedades Químicas de los Metales
Las dos formas básicas de las soluciones:
sólida intersticial.
Moléculas de Cu Zn en forma ordenada.

10. DISOLUCIONES SÓLIDAS
INTERSTICIALES
se presenta en la mezcla de un metal y un no metal, los átomos del no metal son
más pequeños y ocupan los espacios de las estructuras hexagonales o cúbicas
cristalinas del metal, con un ligero aumento en el tamaño de las celdillas.
Propiedades Químicas de los Metales
Aleaciones sólidas intersticiales entre un metal
y un no metal
Los átomos del no metal ocupan los espacios
interatómicos de la red cristalina metálica

11. TIPO DE COMPUESTOS
INTERMETÁLICOS
Aleaciones intermetálicas:
Los átomos diferentes metales se acomodan
en una sola red cristalina metálica.
se presenta cuando dos metales al mezclarse, adquieren una estructura cristalina
diferente de acuerdo a su composición. Este tipo de aleaciones son muy
importantes a nivel comercial
Propiedades Químicas de los Metales

12. ¿QUÉ MIDE?
REACTIVIDAD
La reactividad de un elemento químico es la tendencia
que dicho elemento posee a combinarse con otros.
Para los elementos que se comportan como metales esta
tendencia está directamente relacionada con la facilidad
con la que pierden sus electrones de valencia.
Propiedades Químicas de los Metales
La reactividad de un
elemento mide la
tendencia a combinarse
con otros.
La reactividad de los metales aumenta cuanto más a la
izquierda en el período (menos electrones a quitar).
La reactividad de los no metales aumenta al avanzar en
el período (menos electrones a coger).
Las propiedades químicas de los metales están determinadas en gran medida por sus
configuraciones electrónicas, especialmente las de su capa más externa o capa de valencia.

13. OXIDACIÓN DIRECTA
ELECTROQUÍMICA:
La Corrosión es un término que se utiliza para describir el
proceso de deterioro de materiales metálicos, mediante
reacciones químicas y electroquímicas.
CORROSIÓN
Propiedades Químicas de los Metales
Durante la corrosión, los metales ceden
electrones a otro material, a este proceso
se le conoce como oxidación.
La corrosión se divide en dos
procesos:
La corrosión cuesta a las empresas miles millones de dólares al año y se define como una
reacción química de los metales al medio ambiente, es decir, la pérdida o destrucción del
material metálico por una reacción química al medio ambiente.

14. La oxidación directa hace referencia a la combinación de
los átomos metálicos con los de la sustancia agresiva.
Se le conoce como corrosión seca, no existe humedad en
la superficie del metal, y es normal en los metales
expuestos a temperaturas y gases elevados.
OXIDACIÓN DIRECTA
EJEMPLO:
Oxidación seca en un tornillo de hierro.
El hierro reacciona con el aire por las altas temperaturas.
La oxidación directa tiene gran
importancia en las aplicaciones de
los metales a altas temperaturas,
cuando no existe humedad sobre la
superficie del metal.
IMPORTANCIA
Propiedades Químicas de los Metales

15. La corrosión es un proceso electroquímico en el cual un metal reacciona con su medio
ambiente para formar óxido o algún otro compuesto.
también conocida como corrosión húmeda, tiene lugar cuando el metal está en contacto con
atmósferas húmedas, humedad relativa mayor al 50%, por condensación del vapor de agua
suele representarse como:
donde
M= metal
Mn+= metal ion
ne= electrones perdidos.
ELECTROQUÍMICA
El Zn pierde electrones, mientras que el Cu los atrae,
esta rección en un medio acuoso(ácido sulfúrico),
genera una corriente eléctrica y hace que el Zn
presente corroción, al perder electrones.
Propiedades Químicas de los Metales
Celda electroquímica, el ánodo es el que por lo
general pierde electrones y se corroe

16. PROPIEDADES FÍSICAS
Las propiedades físicas de los metales son aquellas que
logran cambiar la materia sin alterar su composición.
EJEMPLO:
Como ocurre cuando
moldeas un trozo de
plástilina.
Es importante conocer las propiedades
de los metales para poder dar una
utilidad a su funcionamiento
IMPORTANCIA
Sus átomos no se ven
alterados de ninguna
manera, pero exteriormente
cambia su forma

17. Clasificación
Resistencia a la
atracción
Deformabilidad
Elasticidad
Plasticidad
Ductibilidad
Maleabilidad
Acritud
Fragilidad
Tenacidad
Fatiga
Soldabilidad
Los metales suelen ser duros y resistentes. Aunque existen
ciertas variaciones de uno a otro, en general las principales
propiedades de los metales son:
Propiedades Físicas de los Metales

18. TRACCIÓN
RESISTENCIA A LA TRACCIÓN
La resistencia a la tracción es un índice de propiedades
mecánicas de un material metálico obtenido mediante
una prueba de tracción uniaxial.
La resistencia a la tracción representa la capacidad de
un material metálico para resistir la deformación y el
daño bajo fuerzas externas.
Propiedades Físicas de los Metales
La resistencia a la tracción es el
esfuerzo de tracción máximo que puede
soportar un material antes de que se
produzca una deformación permanente
o una fractura, es decir, la resistencia de
un material.
La tracción, fuerza de tracción o
fuerza de tracción es una fuerza
utilizada para generar movimiento
entre un cuerpo y una superficie
tangencial, mediante el uso de fricción
seca o fuerza de corte.

19. RECORDEMOS QUE:
los metales son sustancias inorgánicas formadas
por una misma clase de átomos, y que ademas
tienen las propiedad de mezclarse de átomos, y que
además tiene la propiedad de mezclarse o
disolverse unos con otros en estado sólido.
DEFORMABILIDAD
La deformación de los metales o deformación metálica es
un proceso en el que debido a las fuerzas aplicadas, la
forma y/o tamaño de la pieza de metal cambia.
Para que tenga lugar, la fuerza aplicada debe suponer un
esfuerzo mayor que la resistencia de cedencia original de
metal. Y de esta manera se produce a la vez una
deformación.
Propiedades Físicas de los Metales
iones de plata
Las fuerzas aplicadas desplaza las
capas de cristal
Los electrones de valencia se mueven a
través del metal; forman enlaces
deslocalizados con los iones positivos.
No cambia la atracción
entre las capas.
El metal cambia de
forma sin romperse

20. VELOCIDAD DE RESORTE
La velocidad del resorte o la constante del resorte es el "maestro" cuando se
trata del diseño de un resorte de compresión helicoidal. Su resorte de
compresión helicoidal sufre una carga mientras desciende hasta la altura de
carga deseada.
ELASTICIDAD
La elasticidad es la propiedad mecánica que tienen algunos metales
para poder sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran
sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma
original si estas fuerzas exteriores se eliminan.
EJEMPLO: un resorte
Propiedades Físicas de los Metales

21. establece que el alargamiento
unitario que experimenta un
cuerpo elástico es directamente
proporcional a la fuerza aplicada
sobre el mismo.
Fórmula seria:
k = F ÷ x
LEY DE HOOKE. Ejercicio. Determinar la constante de resorte:
Ul resorte recogerá una distancia de una pulgada con 1 libra
de fuerza o carga.
¿Cuántas libras se necesitarán de fuerza o carga para recorrer
las 1.5 pulgadas de distancia hasta un lugar cargado?
Donde:
k = Constante del resorte (tasa de resorte)
F = Fuerza (Carga)
x = Distancia recorrida
Una vez que insertamos los valores en dicha
fórmula, debe proceder de la siguiente manera
usando matemáticas inversas para obtener el
valor de F.
Fórmula:
F= (K)(x)

22. establece que el alargamiento
unitario que experimenta un
cuerpo elástico es directamente
proporcional a la fuerza aplicada
sobre el mismo.
Fórmula seria:
k = F ÷ x
LEY DE HOOKE. Ejercicio. Determinar la constante de resorte:
El resorte recogerá una distancia de una pulgada con 1 libra de
fuerza o carga.
¿Cuántas libras se necesitarán de fuerza o carga para recorrer
las 1.5 pulgadas de distancia hasta un lugar cargado?
Entonces podemos decir que, tiene una tasa de resorte de 1 lb
de fuerza por cada 1 pulgada de recorrido.
Donde:
k = Constante del resorte (tasa de resorte)
F = Fuerza (Carga)
x = Distancia recorrida
Una vez que insertamos los valores en dicha
fórmula, debe proceder de la siguiente manera
usando matemáticas inversas para obtener el
valor de F.
F= (K)(x)
sustituimos:
F= 1 (1.5)
resultado:
F= 1.5 lbs

23. Es una de las propiedades
mecánicas de los aceros y
se refiere a la capacidad
del acero para dejarse
conformar, sin romperse.
PLASTICIDAD
La plasticidad es la propiedad mecánica que tienen
algunos metales para poder deformarse permanentemente
e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a
tensiones por encima de su rango elástico.
Es decir, la capacidad de
deformación permanente
de un metal sin que llegue
a romperse.
Propiedades Físicas de los Metales

24. La ductilidad es una de las propiedades mecánicas de la materia, común
en las aleaciones metálicas o materiales asfálticos, que consiste en la
capacidad de deformarse plásticamente sin romperse, cuando se hallan
bajo acción de una fuerza sostenida de alargamiento, formando así hilos
o alambres del mismo material.
Es decir, cuando se estiran desde dos extremos opuestos, forman hilos
del material en vez de romperse.
DUCTIBILIDAD
La ductilidad es la propiedad que tienen los metales
y aleaciones, que bajo la acción de una fuerza,
pueden estirarse sin romperse permitiendo obtener
alambres o hilos. A los metales que presentan esta
propiedad se les denomina dúctiles.
Los metales más dúctiles son el platino, oro y cobre.
Propiedades Físicas de los Metales

25. Ejemplos materiales dúctiles:
Plomo, Oro, Cobre, Plata, …
Ejemplo materiales no dúctiles:
Vidrio, Cerámica, Aceros con alto contenido en
carbono, …
MALEABILIDAD
La maleabilidad es la capacidad de los materiales de
deformarse plásticamente frente a esfuerzos de
compresión. Mide la capacidad de un material para
deformarse en forma de láminas.
Propiedades Físicas de los Metales

26. diamante
ladrillo
cristal
grafito
La fragilidad es la propiedad de algunos metales de no
poder experimentar deformaciones plásticas, de forma
que al superar su límite elástico se rompen bruscamente.
Es una propiedad de los materiales que está relacionada
con la aparición y propagación de grietas.
Algunos ejemplos de materiales frágiles son:
Algunos metales al superar su límite
elástico se rompen bruscamente.
FRAGILIDAD
Propiedades Físicas de los Metales

27. Los materiales tenaces se deforman antes de
romperse, especialmente al ser sometidos a
fuerzas de tracción, por ejemplo, al estirarlos
desde dos extremos opuestos.
TENACIDAD La tenacidad es una propiedad de los materiales que
consiste en la capacidad de absorber energía de
deformación en grandes cantidades, antes de sufrir
roturas.
La tenacidad de un material depende del grado de
cohesión que existe entre sus moléculas, pero no
debe confundirse con su resistencia mecánica, ni con
su elasticidad o su fragilidad.
Propiedades Físicas de los Metales

28. ROTURA POR FATIGA
Cuando trabajamos con máquinas o
equipos tenemos que ser conscientes de
que sus piezas y componentes mecánicos
están sometidos a cargas cíclicas o
variables que pueden desencadenar en
una rotura por fatiga.
FATIGA
La fatiga de los materiales es un proceso de daño
que se produce en los elementos mecánicos cuando
se someten a cargas variables, incluso aunque estas
sean varias veces inferiores a las que producirían la
rotura ante una carga constante.
Propiedades Físicas de los Metales
origen
rotura
propagación
de la grieta
por fatiga

29. DUREZA
BRINELL
VICKERS
ROCKWELL
La dureza es la propiedad que expresa el
grado de deformación permanente que sufre
un metal bajo la acción directa de una carga
determinada. Es decir, la resistencia que opone
un cuerpo a ser rayado o penetrado por un
cuerpo más duro.
La dureza depende de la ductilidad , la rigidez
elástica, la plasticidad, la deformación, la
resistencia, la tenacidad, la viscoelasticidad y la
viscosidad.
DOBLADO
RESILENCIA
Se divide en:

30. DUREZA DE BRINELL
En la actualidad, el ensayo Brinell se realiza con
ayuda de una unidad de ensayo de dureza Brinell.
La máquina presiona una bola de carburo de
tungsteno sobre la muestra, y a continuación se mide
ópticamente el diámetro de la impresión.
El ensayo de dureza Brinell se utiliza para
muestras de mayor tamaño con materiales cuya
estructura de grano es grande o irregular.
La prueba de dureza Brinell consiste en aplicar una fuerza o carga constante, normalmente
entre 187,5 y 3000 Kgf, durante un tiempo determinado (10-30 segundos) mediante una bola de
carburo de tungsteno de 2,5 o 10 mm de diámetro.

31. Para calcular el valor de
dureza Brinell (HB) real, se
factoriza el tamaño de la
indentación y la fuerza de
prueba, de modo que:
HB = 2L / πD/2(D - √(D2 - d2))
Donde:
L = carga
D = diámetro del indentador de bola
d = diámetro de la impresión.
APLICACIONES
Las pruebas Brinell se utilizan normalmente
en pruebas de aluminio y aleaciones de cobre
(con fuerzas inferiores), y aceros y hierros
fundidos con rangos de fuerza superiores.
La dureza de la escala Brinell se expresa
en HB y se calcula dividiendo la fuerza (P)
de la carga empleada entre la superficie
(S) de la huella obtenida:
HB = P / S
Dureza de Brinell

32. EJERCICIO
Dureza de Vickers

33. DUREZA DE VICKERS
El ensayo Vickers puede utilizarse para todos
los metales y posee una de las escalas más
amplias entre los ensayos de dureza.
método desarrollado en 1924 por Smith y Sandland en Vickers como
alternativa al test Brinell o al ensayo de dureza Rockwell para medir la
dureza de los materiales.
El ensayo de dureza
Vickers puede utilizarse
con todos y cada uno de
los materiales
El ensayo de dureza Vickers, también denominado método
de ensayo de microdureza, se utiliza principalmente para
determinar la dureza de piezas pequeñas y secciones finas,
aunque no exclusivamente.

34. ¿EN QUÉ CONSISTE EL ENSAYO VICKERS Y CÓMO
SE LLEVA A CABO?
El ensayo Vickers se basa en un sistema
de medición óptica. El procedimiento de
ensayo de microdureza, ASTM E-384,
especifica un rango de cargas ligeras
utilizando un indentador de diamante para
realizar la perforación, a continuación, se
mide y se establece el valor de la dureza.
Para realizar las pruebas en la escala Vickers
se utiliza un penetrador de diamante en forma
de pirámide y de base cuadrada.
Normalmente las cargas son muy ligeras,
oscilando entre 10gm y 1kgf, no obstante,
pueden llegar hasta 30 kg o más.
La forma del indentador debe ser capaz de
producir impresiones geométricamente
similares, independientemente del tamaño; la
impresión debe tener puntos de medición
bien definidos y el indentador, una alta
resistencia a la autodeformación.
Dureza

35. FORMULA PARA EL ENSAYO DE DUREZA VICKERS
Además, para poder obtener el área
superficial de la sangría, se usa el promedio
entre las dos diagonales de la sangría. Ya que
la sangría que queda del ensayo, no es
perfectamente cuadrada.
Para calcular la dureza de un material
usando este ensayo se tiene que hallar el
cociente de la fuerza que ha sido aplicada
en el ensayo (en Newtons) con el área de
la superficie de la sangría.
HV: Representa la dureza del material en
escala de dureza Vickers
F: La fuerza aplicada durante el ensayo
D: Es el diámetro de la sangría
FORMULA
Dureza

36. EJERCICIO
CALCULAR LA DUREZA VICKERS DE UN MATERIAL DE CEMENTADO REALIZADO
MEDIANTE UN CUERPO DE ENSAYO: PIRÁMIDE TETRAGONAL DE DIAMANTE CON UN
VALOR MEDIO DE DIAGONAL D=0,44 MM Y CON UNA FUERZA DE ENSAYO F=490 N,
TIEMPO DE COMPRENSIÓN 30 S.
Dureza de Vickers

37. Se pueden utilizar diferentes escalas (A, B, C, D, F, H, etc)
que provienen de la utilización de distintas
combinaciones de los penetradores y cargas, lo cual
permite ensayar prácticamente cualquier metal o
aleación.
DUREZA DE ROCKWELL
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 (por
desplazamiento r de identador).
El ensayo de dureza Rockwell mide la dureza de los
materiales metálicos de la forma más sencilla posible, es
decir, presionando un indentador en la superficie del
material con una carga específica y midiendo después
hasta dónde ha penetrado el indentador.
¿CÓMO SE DETERMINA?
Dureza
La dureza Rockwell se
determina midiendo la
distancia recorrida por un
indentador cuando se aplica
una carga pesada a una pieza
tratada térmicamente.

38. DOBLADO
Se utiliza, normalmente, una prensa que cuenta con
una matriz si es con estampa ésta tendrá una forma
determinada y un punzón, que también puede tener
forma que realizará la presión sobre la chapa.
El doblado es un proceso de conformado sin
separación de material y con deformación plástica
utilizado para dar forma a chapas.
El doblado y curvado son operaciones
que consisten en obtener una pieza de
chapa con generatrices y bordes
rectilíneos, sin someter el material a
grandes desplazamientos moleculares en
el transcurso de la operación, aunque.
En la operación de doblado, en realidad,
hay una ligera deformación del material,
es decir, un ligero desplazamiento
molecular en aquella parte en la que se
efectúa el doblez.
DOBLADO Y CURVADO
Dureza
"Doblado": cuando el doblez se hace en ángulo vivo
o con radio muy pequeño.
"Curvado': cuando el doblez tiene gran radio.

39. RESILENCIA
La resiliencia se mide siempre
dentro de la deformación elástica
del material.
Es la propiedad de un material que
permite que recupere su forma o
posición original después de ser
sometido a una fuerza de doblado,
estiramiento o compresión.
Un material de alta resiliencia (resiliente) se
deforma de manera importante antes de
romperse, mientras que un material con baja
resiliencia será un material frágil y apenas
experimenta deformación alguna antes de
romperse. La goma tiene alta resiliencia y el
vidrio muy baja.
Dureza
LA RESILIENCIA ES LA CAPACIDAD
DE UN MATERIAL DE ABSORBER
ENERGÍA ELÁSTICA CUANDO ES
DEFORMADO Y DE CEDERLA
CUANDO SE DEJA DE APLICAR LA
CARGA.

40. CONCLUSIÓN
Los metales son y serán siempre importantes materiales de construcción a nivel mundial. Un
elevado porcentaje de materiales de acero se pueden reciclar varias veces y, por ello, se
consideran sostenibles. Tanto para constructores como para usuarios es indispensable
conocer los datos característicos del material. El ensayo de materiales nos facilita los datos
mecánicos y tecnológicos del material. Las máquinas de ensayos de materiales someten los
materiales a carga hasta su fractura. El grupo ZwickRoell garantiza, con sus máquinas de
ensayos, resultados fiables y comparables. Para ello, se basa en los métodos de ensayo
internacionales normalizados
Los metales han sido fundamentales para el desarrollo
de la humanidad y siguen siendo importantes en la
actualidad. A pesar de los beneficios que los metales
nos brindan, es importante tomar en cuenta el impacto
ambiental de su extracción y buscar formas de
minimizar este impacto. Los metales son un recurso
valioso que debemos utilizar de manera responsable
para asegurar su disponibilidad para las generaciones
futuras.