Propiedades-materiales

CAPITULO I

PROPIEDADES DE LOS
MATERIALES

PROFESOR: QBA MIGUEL ÁNGEL CASTRO RAMÍREZ

1. GENERALIDADES.

MATERIAL. Es todo aquello de lo que están
hechas las cosas.

MATERIA. Sustancia, extensible, divisible, e
impenetrable, susceptible de toda clase de
formas y tamaños. A la materia también se lo
puede definir, como “ la que es la causa
permanente de todas nuestras sensaciones ".

1.2 CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES.

CIENCIA DE LOS INGENIERIA DE LOS
MATERIALES MATERIALES
Búsqueda de conocimientos Uso y aplicación de
básicos sobre: estructura conocimientos básicos de los
interna, propiedades y materiales, para convertirlos
procesado de los materiales. en productos necesarios para
la sociedad.

CIENCIA E
INGENIERIA DE
LOS MATERIALES

Fig. 1.1 RELACION ENTRE CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES

1.3 EVOLUCION EN EL USO DE
MATERIALES.
Los materiales modernos en su mayoría son
tan complejos, que se han aprendido a usar
mas por arte que por ciencia. Para llegar a este
punto, los materiales han tenido que pasar por
un largo proceso evolutivo, tanto en el uso como
en la obtención de los mismos, a continuación
mostraremos un diagrama secuencial del uso y
descubrimiento de los materiales.

FIG. 1.2 EVOLUCION DE LOS MATERIALES EN EL TIEMPO

1.4 DISEÑO DEL PRODUCTO Y
SELECCION DE MATERIALES.

La relación que existe entre el diseño de un
producto y la selección de materiales es tan
estrecha, que esta se concentra en las
interacciones entre el diseño del producto, del
proceso de fabricación y su influencia en la
selección de materiales.

DISEÑO DEL
DISEÑO DEL PROCESO
PRODUCTO DISEÑO DEL
EQUIPO

SELECCION DEL
MATERIAL

Fig. 1.3 RELACION ENTRE DISEÑO DEL PRODUCTO DISEÑO DEL PROCESO
Y SELECCIÓN DEL MATERIAL

1.5 TENDENCIA DE LA PRODUCCION DE
MATERIALES EN EL MUNDO

En el cuadro de la Fig.1.4, podemos observar
que la tendencia mundial es usar en mayores
cantidades materiales como: el concreto, madera,
ladrillos, acero; los cuales se usan masivamente,
debido a sus bajos costos de producción, en
comparación con otros materiales como las
aleaciones, de aluminio, titanio, aceros especiales,
fibras poliméricas especiales, como la fibra de
carbono, Kevlar, y en general los materiales
compuestos cuyos costos de producción son
elevados y su producción es menor.

Fig. 1.4 PRODUCCION ANUAL EN TONELADAS METRICAS VS COSTO DE PRODUCCION POR TN.

2. TIPOS DE MATERIALES
Desde el punto de vista de ingeniería a los
materiales los podemos clasificar de la siguiente
manera:
2.1 MATERIALES METALICOS.

Son materiales entre cuyas características
principales tenemos:
a) Tienen estructura cristalina en el estado sólido,
la que define otras propiedades, como la
cohesión, elasticidad, plasticidad, y estas a su
vez la ductilidad y maleabilidad.
b) Son buenos conductores de la electricidad y el
calor.
c) Poseen brillo metálico.

d) En estado natural la mayoría de ellos se
encuentran formando óxidos, sulfatos, etc., en
las menas que se extraen de los asientos
mineros, por lo cual estos materiales tienen gran
tendencia de regresar a su estado natural, a
través de la corrosión.
e) También encontramos en la naturaleza algunos
metales en estado puro, tales como el oro, plata,
platino, cobre, que son los llamados metales
nobles, una de cuyas propiedades es de ser
resistentes a la corrosión.
f) A temperatura normal o ambiente se encuentran
en estado sólido a excepción del mercurio. Entre
los principales metales de uso industrial tenemos
el hierro, aluminio, magnesio, cobalto, zinc,
cobre, plomo, oro, plata, estaño, níquel.

1.5 MOTOR AUTOMOTRIZ – APLICACIONES DE METALES Y SUS ALEACIONES

1.6 MOTOR DE AVION F22 RAPTOR – APLICACIÓN DE ALEACIONES METALICAS

1.7 AVION MILITAR F22 RAPTOR – APLICAIONES DE ALEACIONES METALICAS

2.2 MATERIALES CERAMICOS.

Son aquellos materiales cuya característica
principales son :
a) Resistentes a altas temperaturas.
b) Algunos de ellos poseen estructura cristalina.
c) Son frágiles y tienen elevada dureza.
d) Malos conductores de la corriente y el calor.
e) Tienen bajo peso, reducida fricción,
f) Tienen alta resistencia a cargas estáticas.
g) Resistentes al calor y la humedad, por lo cual
son usados para fabricar aislantes eléctricos,
materiales compuestos y aislantes térmicos,
h) Resistentes a la corrosión.

Generalmente los materiales cerámicos de
importancia están formados por compuestos
químicos de al menos un elemento metálico y uno
de los cinco elementos no metálicos siguientes :
Carbono, Oxigeno, Nitrógeno, Azufre, Fósforo;
además de otro elemento muy importante que es el
Silicio. Actualmente se están usando algunos
materiales cerámicos como materiales
estructurales, tales como él: Carburo de Silicio
que es usado en la fabricación de rotores, álabes
de turbina y toberas de flujo; Nitruro de Silicio en
rotores de turbina; Silicato de Aluminio en discos
del generador (proyecto de General Motors –
Allison Gas Turbina).

1.8 CERAMICA UTILITARIA
DIFERENTES CULTURAS

1.9 CERAMICA UTILITARIA – DIFERENTES CULTURAS

1.10 MATERIALES CERAMICOS TRADICIONALES UTILIZADOS EN CONSTRUCCION CIVIL.

1.11 MATERIALES CERAMICOS DE INGENIERIA – DISCOS DE FRENO
DE CARBURO DE SILICIO

2.3 MATERIALES POLIMERICOS.

Son aquellos materiales entre cuyas
características principales tenemos :
a) Son materiales malos conductores de la
electricidad.
b) Tienen alta resistencia a la humedad y la
corrosión.
c) Estos son llamados el impacto tecnológico
moderno sobre la vida diaria, debido a su gran
desarrollo y a la diversidad de aplicaciones, en
todos los ámbitos tecnológicos, haciendo más
cómodas y económicas sus aplicaciones.

d) Son materiales mayormente artificiales,
dentro de los cuales los mas conocidos son los
plásticos y elastómeros; que están formados por
una cadena larga de una molécula básica
llamada monómero o “Mer”. Por ejemplo el
Polietileno, el cual es una cadena larga de
moléculas de etileno n (C2 H4), al cual para
obtener el Acrílico se le adiciona O2, para el
Nylon se adiciona N, para las siliconas Si; otros
polímeros de aplicaciones muy difundidas,
tenemos : El Kevlar, la Polidietercetona (usado
como base de circuitos impresos), el teflón, el
benceno, el poliuretano, etc., estos materiales
son usados como fibras o partículas en
materiales compuestos.

MATERIALES POLIMERICOS MAS USADOS.
a)Etilen vinil acetato (EVA).
b)Polietileno de baja densidad (LDPE).
c) Polietileno de alta densidad (HDPE).
d)Polipropileno (PP).
e)Poliestireno (PS).
f) Policloruro de vinilo flexible (FPVC).
g)Policloruro de vinilo rígido (RPVC).
h)Poliuretano.
i) Melamina.
j) Resinas epóxicas.
k) Resinas alquídicas.
l) Nylon.

1.12 MATERIAL POLIMERICO NATURAL – JEBE O SHIRINGA

1.13 MATERIAL POLIMERICO ARTIFICIAL - PLASTICO

1.14 MATERIAL POLIMERICO ARTIFICIAL – DE INGENIERIA /
FIBRA POLIESTER

2.4 MATERIALES SEMICONDUCTORES.

Sus características principales son :
a) Son materiales que no son buenos conductores
de la electricidad pero tampoco son buenos
aislantes.
b) El desarrollo de estos materiales han permitido
que la electrónica en los últimos años haya
alcanzado un avance espectacular, en las
tecnologías de punta, que ha permitido la
confección de complejos circuitos en áreas muy
reducidas, del orden de los milímetros y
nanómetros (espesor de aislantes de 2 diámetros
atómicos).

c) Algunos de estos materiales a condiciones de muy
bajas temperaturas, se convierten en materiales
superconductores de la corriente.
Entre estos materiales tenemos por ejemplo: el
Arseniuro de galio usado como rectificador de
corriente a altas temperaturas y como material
para cristales láser; el Sulfuro de cadmio usado
en celdas solares, el Oxido de Zinc como fósforo
para pantallas de televisores. Un material
semiconductor muy importante es el Silicio puro,
el cual es modificado por diversos caminos para
cambiar sus propiedades eléctricas y electrónicas
el cual es usado intensivamente en muchas
aplicaciones de ingeniería.

1.15 MATERIALES SEMICONDUCTORES – COMPONENETES
ELECTRONICOS

1.16 MATERIALES SEMICONDUCTORES – COMPONENTES
ELECTRONICOS

1.15 MATERIALES SEMICONDUCTORES – ENSAMBLE DE
UNA TARJETA ELECTRONICA

1.15 TARTJETA ELECTRONICA CON MATERIALES
POLIMERICOS Y SEMICONDUCTORES

2.5 MATERIALES COMPUESTOS COMPOSITOS.
En ingeniería también se conceptúa como
materiales compuestos a dos o más materiales
distintos que difieren en forma y constitución química,
insolubles entre si, que se combinan, para formar otro
cuyas propiedades sean superiores o en algún modo
mas importantes que la de sus componentes. Entre
estos materiales podemos mencionar los siguientes:
mampostería, maderas reforzadas, concreto armado,
fibras de carbono con resina epóxica (fabricación de
flaps y alerones, en aeronaves), fibra de boro con
resina epóxica (usado en fuselaje del avión invisible),
fibras de vidrio, kevlar, nylon, poliéster + pegamento
o resina epóxica, usados en aeronáutica civil y militar.

Estas mismas fibras, pueden ser usadas con
almas metálicas de aleaciones de Al, Mg, Ti, para
formar estructuras tipo sándwich.
Estos materiales, también son usados en
artículos deportivos de poco peso y gran resistencia
mecánica, como raquetas de tenis, palos de golf;
tablas de surfing, motonaves, etc., entre otros
materiales se usan también el teflón y lámina de
acero en menaje de cocina, fibra de vidrio y almas
metálicas en partes automotrices, fibras naturales
combinadas con fibras sintéticas en la industria del
vestir; mezclas asfálticas, y muchos otros mas.
Las propiedades de estos son muy variadas
dependiendo de los materiales que intervienen para
su conformación.

3. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

3.1 PROPIEDADES MECANICAS.
Las tres propiedades mecánicas
fundamentales de los materiales son:
cohesión, elasticidad, plasticidad.
COHESION. Es la resistencia que
oponen los átomos a separarse unos de otros.
La cohesión se puede valorar mediante los
ensayos de dureza.
ELASTICIDAD. Es la capacidad que
tienen los materiales de recobrar su forma
primitiva, cuando cesa la causa que los
deforma.

PLASTICIDAD. Es la capacidad que
tienen los materiales de adquirir
deformaciones permanentes, una vez que
cesa la causa que la origina. Si esta
capacidad para la deformación lo es
especialmente para el adelgazamiento en
forma de láminas delgadas, es llamada
maleabilidad y si es en forma de hilos muy
delgados se llama ductilidad. Estas
propiedades son valoradas mediante el
ensayo de tracción.

3.2 PROPIEDADES TERMICAS.

Relacionadas con la capacidad que tienen los
materiales para poder trasmitir el calor, las que
pueden ser valoradas por: el coeficiente de
conductividad calórica, calor específico, capacidad
calorífica, coeficiente de dilatación (lineal,
superficial, cúbica), punto de fusión, punto de
ebullición, temperatura de cambio de fase, calor es.

3.3 PROPIEDADES MAGNETICAS.

Relacionadas con la capacidad que tienen los
materiales para poder magnetizarse o imantarse,
creando campos magnéticos, las mismas que
pueden ser medibles a través de: Densidad de flujo
(inducción magnética), permeabilidad magnética,
susceptibilidad magnética, intensidad de campo
magnético, envejecimiento magnético.
.

Según su capacidad de magnetización los
materiales pueden ser:
Ferromagnéticos: Entre los cuales tenemos, el Fe,
Ni, Co, que son materiales que poseen una gran
capacidad de magnetización o imantación.
Paramagnéticos: Entre los cuales tenemos, el O2,
Pt, Na, Al, Ca, Ti; que son materiales que
presentan capacidad de magnetización débil.
Diamagnéticos: Son materiales que repelen las
líneas de fuerza magnética y no se magnetizan,
como por ejemplo: Cd, Cu, Ag, Sn, Zn, la madera,
polímeros, cerámicos

3.4 PROPIEDADES ELECTRICAS.

Las propiedades eléctricas de los materiales son
una consecuencia de su estructura electrónica,
haciendo que estos sean mayores o menores
conductores de la corriente eléctrica.
Generalmente los materiales buenos conductores
de calor son buenos conductores de la corriente
eléctrica. Las propiedades eléctricas de los
materiales pueden medirse por: la conductividad,
resistencia, capacitancia, inductancia etc. En los
materiales metálicos se observa que la resistencia
eléctrica aumenta al aumentar la temperatura.

3.5 PROPIEDADES QUIMICAS.

Dadas en relación, a la capacidad que tienen
los materiales de combinarse unos con otros
(relación estequiométrica) para formar nuevos
compuestos, tales como: óxidos, bases, ácidos,
sales, sulfatos, entre otros; las propiedades químicas
más importantes de los materiales tenemos : Número
atómico, peso atómico, número de valencia,
densidad, gravedad específica, peso molecular,
molaridad, normalidad, molalidad, entre otras.

3.6 PROPIEDADES OPTICAS.

Capacidad de los materiales para absorber,
refractar, reflejar, trasmitir la luz, las cuales
pueden ser medibles por: la transmitancia,
transparencia, índice de refracción, índice de
reflexión, índice de absorción, grado de opacidad
entre otros.

4. ENSAYOS.

Son una serie de procedimientos
normalizados, que tienen por objeto, conocer o
comprobar características y propiedades de los
materiales, descubrir defectos en las piezas
fabricadas o fallas en las piezas que han trabajado
un tiempo determinado.

4.1 CLASIFICACION DE LOS ENSAYOS.
Desde el punto de vista de Ingeniería, a los
ensayos los podemos clasificar de la siguiente
manera:

A.- ENSAYOS DE CARACTERISTICAS.
1. De composición:
 Composición química.
 Fotocolorimétricos.
 Espectográficos.
 Chispas.
2. De estructuras:
 Cristalina.
 Micrográfica (grano).
 Macrogáfica (fibra).
3. Análisis térmico:
 Temperaturas de fusión.
 Temperaturas de transformación.
4. Constitución:
 Metalográficos.

B.- ENSAYOS DE PROPIEDADES MECANICAS
(DESTRUCTIVOS).
1. Estáticos:
 Tracción en frío y caliente.
 Fluencia.
 Compresión.
 Pandeo.
 Flexión estática.
 Torsión.
 Dureza.
2. Dinámicos:
 Resistencia al choque.
 Desgaste.
 Fatiga.

C.- ENSAYOS DE CONFORMACION.
 Doblado.
 Embutición.
 Forja.
 Corte.
 Punzonado.
D.- ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (END O PND)
 Magnéticos.
 Líquidos penetrantes.
 Electromagnéticos.
 Por corriente de foucalt.
 Sónicos.
 Ultrasónicos.
 Macroscópicos.
 Por rayos "x “
 Por rayos Gamma.

4.1 PRINCIPALES ENSAYOS MECANICOS.

4.1.1 DUREZA.
Se define como la resistencia del material a
una deformación permanente en su superficie, bajo
la acción de una carga determinada, o como la
resistencia que ofrece un material a ser rayado,
penetrado, erosionado, desgastado, altura de rebote,
por otro que actúa en su superficie. La dureza puede
determinarse tomando como base varios
procedimientos de resultados comparables.

CLASIFICACION DE LOS ENSAYOS DE DUREZA
1. Ensayos por rayado.
a) Ensayo Marten (escala de Mohs).
b)Limado.
2. Ensayos por identación estática.
a) Ensayo Brimell.
b) Ensayos Rockwell.
b.1 Normal.
b.2 Superficial
c) Ensayo Vickers.
d) Ensayo Knoop.
3. Ensayo dinámico por impacto o rebote.
a) Ensayo Shore (escleroscopio).

4. Ensayo por cepillado o rasurado (Plowing Test).
Ensayo Bierbaum. En el cual un elemento
completamente paralelo (por ejemplo un diamante)
se mueve, comprimiendo a través de la superficie
del metal, bajo condiciones controladas de carga y
conformación, en el cual la dureza es medida por
el ancho de la ranura efectuada.

5. Ensayo por amortiguamiento (Camping Test).
Ensayo Herbert. En el cual la amplitud de un
péndulo, que tiene un gran pivote, queda
disminuido al chocar en la superficie del metal
ensayado, esta disminución da un valor para la
dureza del mismo.

6. Ensayo por corte (Cutting Test).
En el cual una herramienta cortante de una
forma dada, es accionada para remover una viruta de
dimensiones estándar, de la superficie del material
ensayado.
7. Ensayo por abrasión.
En el cual la pieza a ensayar es cargada o
deslizada en la dirección opuesta del giro de un disco
rotatorio, entonces la razón o el coeficiente de desgaste
mide la dureza del material ensayado.
8. Ensayo por erosión.
En el cual la arena u otro abrasivo granular, es
impactado sobre la superficie del metal o material
ensayado bajo condiciones estándar, entonces el
material perdido en un tiempo dado, es la medida de la
dureza (para medir durezas de las ruedas amoladoras).

A. DUREZA POR RAYADO.
Basado en la escala de Mohs, bajo el principio
de la precedencia de rayado de los materiales, uno
de los ensayos por rayado muy conocido es el de
Marten.
MOHS en 1822 estableció una escala de
dureza, hoy todavía aplicable en mineralogía, cuyo
principio de medición se basa en el rayado de
materiales, en cuya escala la dureza con el número
1 corresponde al material más suave (talco) y el 10
al material mas duro (diamante):

Nº DUREZA MATERIAL

1 Talco
2 Sal gema
3 Calcita
4 Flourita
5 Apatita
6 Feldespato
7 Cuarzo
8 Topacio
9 Corindón
10 Diamante

TABLA Nº 1.1 ESCALA DE MOSH

B. DUREZA A LA PENETRACION.
La determinación de la Dureza, se hace
generalmente por los ensayos de penetración, que
consiste en dejar una huella en el material que se
ensaya, aplicando sobre el un penetrador con una
presión determinada y hallando el índice de dureza
en función de la presión ejercida y la profundidad o
diámetro de la huella dejada en el material ensayado.
Los métodos mas usados son los de Brinell,
Rockwell y Vickers.

B.1 METODO BRINNELL. (ING. SUECO – 1900)
Este método lo ideó el ingeniero sueco Brinell
en el año 1900. Consiste en comprimir una bola de
acero templado, de un diámetro determinado, sobre el
material a ensayar, por medio de una carga y durante
un tiempo determinado.
Se mide el diámetro de la huella y se encuentra
la dureza del material por la relación entre la carga
aplicada y el área del casquete de la huella, pues
evidentemente y dentro de ciertos límites, esta área
será tanto mayor cuanto menos duro sea el material.
De lo cual se obtienen las siguientes relaciones que
permiten calcular la dureza Brinell.

P (kg)
HB = 2
S (mm )
P
HB =
πD
(D − D 2 − d 2 )
2
D = Diámetro de la bola.
d = Diámetro de la huella.
f = Pr ofundidad de penetracion
de la bola.
Fig. 1.4 PENETRADOR BRINELL
P
HB =
πDf

Respecto a las cargas, tienen que ser
proporcionales al cuadrado del diámetro, para que
las huellas obtenidas sean semejantes y los
resultados comparables.
Es decir:

P = K x D2

Hierro y aceros..................... K = 30
Cobre, bronce y latones........ K = 10
Aleaciones ligeras................. K = 5
Estaño y plomo..................... K = 2,5

Respecto a los tiempos que debe durar el ensayo,
oscilan entre 30 segundos para el acero y tres
minutos, para materiales muy blandos ver tabla

MATERIAL TIEMPO
Hierros y aceros 10 a 30 segundos
Cobre, bronces y latones 30 segundos
Aleaciones ligeras 60 a 120 segundos
Estaño y plomo 120 segundos
Materiales muy blandos >120 segundos

TABLA Nº 1.3 TIEMPOS PARA EL ENSAYO BRINELL

Todo lo expuesto se resume en la tabla siguiente. De
este cuadro son comparables todos los ensayos
realizados con cargas que utilicen el mismo
coeficiente, aunque las bolas sean de diferente
diámetro. O sea, los ensayos con carga de cada
columna vertical y sus bolas correspondientes. En
cambio, no darán resultados coincidentes los
ensayos con la misma bola, pero con diferentes
cargas (líneas horizontales).

ESPESOR DE Diámetro CONSTANTES DE ENSAYO K
LA de la bola 30 10 5 2,5 1,25
PROBETA mm
CARGAS EN Kg
30 D2 10 D2 5 D2 2,5 D2 1,25D2

Superior a 6 mm 10 3000 1000 500 250 125
De 6 a 3 mm 5 750 250 125 62,5 31,2
Menor de 3 mm. 2,5 187,5 62,5 31,2 15,6 7,8
1,25 46,9 15,6 7,81 3,91 1,99
0,625 11,7 3,91 1,953 0,977 0,488

TABLA Nº 1.2
DIAMETRO DE LAS BOLAS Y PRESIONES EMPLEADAS - METODO BRINELL

La denominación o nomenclatura de los ensayos se
efectúa mediante el siguiente símbolo:

HB (D/P/T)

En el que:
D : diámetro de la bola en mm.
P : la carga en Kg.
T : el tiempo de duración del ensayo en seg.

Así por ejemplo:

HB (10/3000/30)

B.2 PRACTICA DE LOS ENSAYOS BRINELL.

El aparato más elemental consiste de una
prensa, mediante la cual se aplica la carga
correspondiente. Después, por medio de una regla
graduada o un microscopio provisto de un retículo
graduado, se mide el diámetro de la huella que la
bola ha dejado en el material, y mediante la fórmula
o la tabla, se halla el número de Brinell. Si la huella
resulta ovalada, se toma la media de los diámetros
extremos.
Al realizar el ensayo debe cuidarse
especialmente de lo siguiente:

1. Que la superficie de la pieza esté limpia, sea
perfectamente plana, normal al eje de
aplicación de la carga y lo más homogénea
posible.
2. Que el espesor de la pieza sea por lo menos el
doble del diámetro de la huella, o 10 veces la
profundidad de la huella.
3. Que la distancia del centro de la huella al borde
de la pieza sea, por lo menos, cuatro veces el
diámetro de la huella.
4. Que la distancia entre dos huellas consecutivas
sea cuando menos 2.5 el diámetro de la huella.

MATERIAL DUREZA
BRINELL
Acero de herramientas, templado 500
Acero duro (0,80 % de carbono) 210
Acero dulce (0,10 % de carbono) 110
Bronce 100
Latón 50
Aluminio 25 a 30

TABLA Nº 1.4 DUREZA BRINELL DE ALGUNOS MATERIALES METALICOS

MATERIAL FACTOR
Acero al carbono 0,36
Acero aleado 0,34
Cobre y latón 0,4
Bronce 0,23
TAB LA Nº 1.5 FACTORES PARA EL CALCULO DE LA RESISTENCIA A LA TRACCION
PARTIENDO DEL NUMERO BRINELL

También puede obtenerse aproximadamente el contenido de carbono,
para ACEROS AL CARBONO, si se conoce la dureza Brinell,
mediante la fórmula:

HB − 80
% C=
141

B.2 METODO ROCKWELL (1924)
El método Rockwell se basa también en la
resistencia que oponen los materiales a ser
penetrados; la dureza del material ser determina por
la profundidad de la huella que deja el cuerpo
penetrante .
Los penetradores son:
1. Un diamante en forma de cono de 120º ± 1º, con
la punta redondeada, con un radio de 0,2 ± 0,01 mm,
que se denomina también penetrador Brale.
2. Bolas de 1/8"φ y 1/16" φ, aunque también, pero
menos empleadas las de 1/2" φ y 1/4" φ.
Se utilizan cargas de 60, 100 y 150 Kg, para
materiales gruesos y de 15, 30 y 45 para materiales
delgados.

ESCALA TIPO DE TIPO Y TAMAÑO CARGA CARGA ESCALA DEL COMPARADOR APLICACIONES
DESIG- PRUEBA DEL PENETRADOR MENOR MAYOR
NACION EN Kg EN Kg COLOR COLOCACION

A Normal Cono de Diamante 10 60 Negro Fuera Aceros nitrurados, flejes estirados en frío, hojas de afeitar,.
Carburos metálicos (90 a 98)

B Normal Bola de 1/16 “ 10 100 Rojo Dentro Aceros al carbono recocidos de bajo contenido de carbono.

C Normal Cono de diamante 10 150 Negro Fuera Aceros duros. Con dureza superior a 100 HRB o 20 HRC

D Normal Cono de diamante 10 100 Negro Fuera Aceros cementados.

E Normal Bola de 1/8 “ 10 100 Rojo Dentro Metales blandos, como antifricción y piezas fundidas

F Normal Bola de 1/16 “ 10 60 Rojo Dentro Bronce recocido

G Normal Bola de 1/16 “ 10 150 Rojo Dentro Bronce fosforoso y otros metales.

H Normal Bola de 1/8 “ 10 60 Rojo Dentro Metales blandos con poca homogeneidad, fundición de hierro.

K Normal Bola de 1/8 “ 10 150 Rojo Dentro Metales duros con poca homogeneidad, fundición de hierro.

L Normal Bola de ¼ “ 10 60 Rojo Dentro Metales duros con poca homogeneidad, fundición de hierro.

M Normal Bola de ¼ “ 10 100 Rojo Dentro Metales duros con poca homogeneidad, fundición de hierro.

P Normal Bola de ¼ “ 10 150 Rojo Dentro Metales duros con poca homogeneidad, fundición de hierro.

R Normal Bola de ½ “ 10 60 Rojo Dentro Metales muy blandos.

S Normal Bola de ½ “ 10 100 Rojo Dentro Metales muy blandos.

V Normal Bola de ½ “ 10 150 Rojo Dentro Metales muy blandos.

15-N Superficial Cono de diamante 3 15 Rojo Dentro Aceros nitrurados, cementados y de herramientas de gran
dureza.

dureza.

dureza.

15-T Superficial Bola de 1/16 “ 3 15 Rojo Dentro Bronce ,latón y acero blando



TABLA Nº 1.6 ESCALAS DE DUREZAS ROCKWELL (APRAIZ)

Nº ROCKWELL A ROCKWELL C
1 Angulo de la punta del diamante = 120º Angulo de la punta del diamante = 120 º
2 Radio de redondeo de la punta del cono 0,2 mm. Radio de redondeo de la punta del cono 0,2 mm.
3 Po Carga previa = 10 Kg Carga previa = 10 Kg
4 P1 Carga adicional = 50 Kg Carga adicional = 140 Kg

5 P Carga total = 60 Kg (P = Po + P1) Carga total = 150 Kg (P = Po + P1)

6 Penetración con la carga previa (punto de partida de la Penetración con la carga previa (punto de partida de la
medición) medición)
7 Penetración total actuando la carga adicional. Penetración total actuando la carga adicional.
8 f Penetración permanente después de quitar la carga Penetración permanente después de quitar la carga
adicional adicional
9 HRa Dureza Rockwell A = 100 - f Dureza Rockwell C = 100 - f
ó
HRc

Fig. 1.6 ESQUEMA DE LOS ENSAYOS ROCKWELL A Y C

Nº ROCKWELL B
1 D Diámetro de la bola
2 Po Carga previa = 10 Kg
3 P1 Carga adicional = 90 Kg

4 P Carga total = 100 Kg (P = Po + P1)

5 Penetración con la carga previa (punto de partida de la medición)
6 Penetración total actuando la carga adicional.
7 e Penetración permanente después de quitar la carga adicional
8 HRb Dureza Rockwell B = 130 - f

Fig. 1.7 ESQUEMA DEL ENSAYO ROCKWELL B

B.3 METODO VICKERS (HV).
Se deriva del método Brinell, empleándose
actualmente, sobre todo en laboratorios y en
particular, para piezas delgadas y templadas, con
espesores mínimos hasta de 0,2 mm.
En el método Vickers se utiliza como penetrador
una punta piramidal de diamante, de base cuadrada
y un ángulo en el vértice entre caras, de 136º, con
precisión obligada de 20 segundos. La dureza
Vickers se determina en función a la media de la de
las diagonales, medidas con un microscopio en
milésimas de milímetro.
Si P es la carga aplicada y S la superficie de la
huella, la dureza Vickers será:

P
HV =
S
Luego de deducir las relaciones geométricas de la
huella dejada por el penetrador en el material se
tiene finalmente la siguiente ecuación.
P
HV =1,854 2
d
Sin embargo no se hacen cálculos con la fórmula
anterior, sino por medio de gráficos o de tablas, en
las que se entra con la medida de la diagonal y de
la carga, se obtiene directamente la dureza.

Fig. 1.8 EL ÁNGULO DE 136 º DE LA PUNTA PIRAMIDAL VICKERS ESTÁ ELEGIDA PARA QUE
SEA LA HUELLA TANGENTE A LA DE LA BOLA BRINELL.

Respecto a las cargas son independientes de
la dureza obtenida, pues la diagonal resultará
proporcional a la carga y para un mismo material
saldrá la misma dureza con cualquier carga.
Se utilizan cargas de 1 a 120 Kg. Siendo la
mas utilizada la de 30 Kg. Respecto al tiempo que
se ha de mantener la carga, oscila entre 10 y 30
segundos, siendo él mas empleado 15 segundos.
La dureza se expresa con las letras HV,
seguida de dos cifras, una para la carga y la otra
para el tiempo.
Por ejemplo, si la carga ha sido 30 Kg. durante
15 segundos, se pone HV 30/15.

NORMAS PARA EL ENSAYO VICKERS.
1. La superficie debe estar pulida para que los
resultados sean válidos.
2. Como regla general, el espesor de la probeta
debe ser superior a 1,5 veces la diagonal de la
huella ( d = 7t).
3. En las probetas redondas debe aplicarse sobre
el diamante una carga tan pequeña que la
influencia de la curvatura (flecha) sobre la
longitud de la diagonal sea inferior a 0,01mm.
4. La longitud de la diagonal debe medirse con
una precisión de 0,001 mm, para longitudes
superiores de 0,5 mm es suficiente una
precisión de 0,01 mm.

5. El valor de la diagonal tomado debe ser la media de
las 2 diagonales.
6. Además, la dureza para cifras inferiores a 25 debe
darse redondeadas a la décima y para cifras
superiores, redondeadas en unidades.

VENTAJAS DEL METODO VICKERS.
1. Las huellas Vickers son comparables entre si, y las
cifras de dureza obtenidas, independientes de la
carga.
2. Con el mismo penetrador puede medirse una amplia
gama de materiales, desde muy blandos hasta muy
duros, llegándose hasta 1150 Vickers, que
equivaldrían aproximadamente a 780 Brinell.

3. Puede medirse la dureza de piezas muy delgadas
empleando cargas pequeñas, hasta espesores del
orden de 0,05 mm.
4. Puede medirse dureza superficial, dada la pequeña
penetración del diamante, con cargas pequeñas, lo
que permite comprobar, por ejemplo, el
endurecimiento superficial de un material, después de
ser rectificado con piedra de esmeril.
5. La escala Vickers, es más detallada que la Rockwell,
y así por ejemplo, entre HRc 60 y HRc 66, las durezas
Vickers que corresponden son 765 y 960, o sea 32
unidades Vickers por cada unidad Rockwell.
6. Como es preciso examinar la huella, puede
comprobarse en cada medición el buen estado del
diamante, lo que no ocurre en el Rockwell, que debe
examinarse el diamante de vez en cuando.

B.5 DUREZA AL REBOTE METODO SHORE.
Mediante este método la dureza se mide por la
altura que alcanza el rebote de un cuerpo al caer
desde una altura fija sobre la superficie del material
que se ensaya. La máquina o equipo usado para
medir esta dureza es el Esclerómetro o Escleroscopio
Shore; que consta de un martillo que pesa 1/12 de
onza (2,36 gr), el cual es de acero y tiene forma
cilíndrica con punta de diamante redondeado. La
altura de caída es de 10" (25,4cm), dividida en 140
partes iguales.
La pieza se fija al aparato y se aspira el martillo,
haciendo el vacío con una pera de goma y una vez
en la parte alta se deja caer. Al rebotar el martillo se
queda retenido en la parte más alta.

La ventaja de este durómetro es que
prácticamente no produce huella en el material
ensayado, por lo que se lo utiliza para medir durezas
de piezas terminadas. Es por lo tanto uno de los
ensayos de medición de dureza no destructivo.

FIG. 1.11 DUROMETRO SHORE

B.4. MICRODUREZAS

Generalmente se entiende por
microdureza cuando la identación se realiza con
cargas que no exceden a 1000 gr.,
generalmente se realizan con cargas entre 100
y 500 gr., aunque pueden usarse cargas mas
pequeñas aun, el término está relacionado pues
con el tamaño de la carga de identación. Los
métodos más usados son:
VICKERS : Europa.
KNOOP : U.S.A.

APLICACIONES.
a) Precisión en la medición de dureza en piezas
pequeñísimas.
b) Aplicación en puntas y alambres muy delgados.
c) En la inspección de dureza de capas superficiales
carburadas, nitruradas, carbonitruradas.
d) Se puede medir la dureza en la sección y no en la
profundidad de dichas capas endurecidas.
e) Medición de dureza de microconstituyentes, de una
aleación.
f) Medición de durezas en superficies no deseables y
descarburadas.
g)Medición de durezas de capas superficiales de
electrodeposición metálica, relleno metalizado o en
piezas recuperadas por soldadura.

METODO KNOOP.

Se emplea sólo en laboratorios para medir
durezas de láminas muy delgadas, incluso de
depósitos electrolíticos.
El penetrador es de diamante, de froma piramidal
de base forma rómbica y utiliza cargas de 0,25 a
3,600 gramos, produciendo huellas rómbicas con las
diagonales en la relación de 7 : 11 y la diagonal
menor sobre profundidad de penetración de 4.0

FIG. 1.10 ESQUEMA PENETRADOR KNOOP

P
HV =14,2 2
d
Donde:
P = Carga aplicada en Kg.
l = d = Longitud de diagonal mayor en mm.
b = Longitud de diagonal menor en mm.
t = Profundidad de la huella en mm.

CAPITULO V
DEFECTOS ESTRUCTURALES

1. GENERALIDADES.

No hay cristales perfectos debido a que hay
varios tipos de imperfecciones cristalinas, que
afectan a muchas de las propiedades físicas y
mecánicas importantes de los metales y sus
aleaciones; entre ellas, desde el punto de vista
de ingeniería tenemos: capacidad de
deformación en frío, conductividad eléctrica,
resistencia mecánica, corrosión, velocidad de
difusión, etc.

2. CLASES DE DEFECTOS ESTRUCTURALES.

Están clasificados de acuerdo a su geometría y
forma, estos son:

a)Defectos puntuales, de dimensión cero.
b)Defectos de línea o de una dimensión
(dislocación).
c) Defectos de dos dimensiones, que incluyen
superficies externas y bordes de grano interno.

2.1. DEFECTOS PUNTUALES.
Entre estos tenemos:

A. VACANTES.
Son agujeros dejados por la pérdida de
átomos que se encontraban en una posición,
estas se pueden producir durante el proceso de
solidificación, por perturbaciones locales durante
el crecimiento del cristal, o por reordenamiento
atómico en el cristal, debido a la movilidad de los
átomos. En los metales la concentración de
huecos en equilibrio, raramente excede de 1
entre 10000.

B. INTERSTICIALES.
Este defecto se produce, cuando un átomo
de la red ocupa un lugar intersticial, entre los
átomos que lo rodean, en sitios atómicos
normales. Estos se pueden producir en la
estructura cristalina por irradiación con partículas
energéticas.

C. IMPUREZAS.
Constituidas por átomos extraños a la red
cristalina, los que pueden tener un diámetro mayor
o menor que los de la red. Estos están presentes,
desde el inicio del proceso de los materiales y se
pueden ubicar en posiciones reticulares o
intersticiales.

D. DEFECTO SCHOTTKY.
En cristales iónicos, los defectos puntuales son
más complejos, debido a la necesidad de mantener
la neutralidad eléctrica de los mismos, cuando dos
iones de cargas opuestas se pierden en un cristal
iónico, se producen huecos anión - catión;
produciendo defectos Schottky.

E. DEFECTO FRENKEL.
Cuando un catión se mueve a una posición
intersticial, en un cristal iónico, se produce una
vacante en la posición del ion, a esta dualidad de
vacante - defecto intersticial, se le llama defecto
Frenkel. La presencia de estos defectos, en un
material iónico incrementa su conductividad
eléctrica.

5.2 DEFECTOS PUNTUALES – MATERIALES IONICOS

Las vacantes adicionales, en un material
también puede producirse por:
a)Por enfriamiento rápido desde altas temperaturas
a bajas temperaturas.
b)Por deformación plástica del metal.
c) Por bombardeo con partículas energéticas.
d)En los compuestos químicos, como una respuesta
a las impurezas químicas y a las composiciones
no estequiométricas.
Las vacantes no equilibradas, tienen tendencia
a unirse formando clusters, las cuales pueden
cambiar de posición con sus vecinas; este proceso
es importante en la difusión de átomos en estado
sólido, sobre todo a altas temperaturas donde la
movilidad de átomos es mayor.

2.2. DEFECTOS DE LINEA O DISLOCACIONES.

Son defectos en los sólidos cristalinos que
distorsionan la red alrededor de una línea, estos
se crean por:
• Por una deformación plástica permanente.
• Por condensación de vacantes.
• Por desajustes atómicos en disoluciones
sólidas.
• Durante la solidificación.
Las dislocaciones más importantes son:
a) Dislocación de borde.
b) Dislocación de tornillo.

A. DISLOCACION DE BORDE.

Se generan en un cristal por la inserción o
ausencia de un semiplano de átomos, en la red
cristalina; producido esfuerzos de compresión o
tracción, provocando una distorsión local en la
red, a este tipo de dislocación también se le
llama dislocación de Taylor y su representación
es una "⊥" invertida para dislocación positiva y
"T" en posición normal para una negativa,
dependiendo del plano de referencia
considerado.

La distancia de desplazamiento de los átomos
alrededor de una dislocación se denomina
deslizamiento o vector "b" de Burgers y para
una dislocación de borde este vector de cierre
es perpendicular a la dislocación y su magnitud
estará dada por la diferencia de segmentos
entre átomos para el área considerada o
circuito de Burgers.

3.4 INCLUSIONES METALICAS.

En los aceros aleados además de los constituyentes
citados pueden haber otros elementos en diferentes
formas.

A) FORMA DE CARBUROS.
EL Cr, Mo, W, Mn y V se combinan con el carbono,
formando carburos metálicos muy duros. Estos
carburos forman parte de los aceros rápidos que
conservan su dureza y resistencia al desgaste a
temperaturas superiores a 500 ºC.

B) DISUELTOS EN FERRITA.
El Ni, Cr, Al, Si, Mn, Cu, P, pueden encontrarse en

C) EMULSIONADOS.
El Cu en porcentajes superiores al 6 % y el Pb en
porcentajes superiores al 1,5 % pueden encontrarse
formando pequeñas bolsas en la masa del acero
confiriéndole propiedades especiales, sobre todo de
conductividad.

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