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LABORATORIO DE MATERIALES DE INGENIERÍA: “Observaciones de la microestructura y ensayos mecanicos”



PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECANICA


LABORATORIO DE MATERIALES DE INGENIERÍA:
“Observaciones de la microestructura y ensayos mecanicos”

Introducción

Los laboratorios de Materiales de Ingeniería pretenden entregar al alumno una visión mas completa y acabada de la estructura, composición y características físicas y mecanicas de los diferentes tipos de materiales que son utilizados en las distintas ramas de la Ingeniería.
Gracias a los laboratorios hechos en el Departamento de Ingeniería Mecanica con el profesor Tomas Ovalle, pudimos observar en la practica cómo se aplican las diferentes técnicas y los procedimientos que se ocupan para trabajar y estudiar los materiales.
Con la tecnología disponible en los modernos laboratorios del departamento, es decir, ocupando microscopios electrónicos, maquinas de ensayo de tracción, Charpy, Rockwell y otros, conocimos a través de los ensayos el comportamiento de algunos tipos de aceros, aluminio y aleaciones.



Laboratotio Nº2
Cuando el metal fundido solidifica, en varios puntos se comienzan a reunir moléculas y forman un núcleo ordenado que crece en todas direcciones.
Las agrupaciones de celdas que comienzan a solidificar, crecen tridimensionalmente hasta toparse unas con otras, deteniendo el crecimiento.
Esto produce zonas en las cuales la red cristalina esta ordenada las que llamaremos granos y zonas denominadas límites de grano o fronteras de graÖ, en donde no eKiste orden alguno.
Para observar esto en un microscopio, se pule una superficie plana, lo que corta losgranos en cualquier dirección. Para mejorar la visualización se aplica sobre la superficie una solución acida denominada ataque, la cual corroe los granos en mayor o menor grado, dependiendo de su orientación cristalina.

Laboratorio Nº3
Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo mas importante es el ensayo de tracción, en donde se coloca una probeta en una maquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil.

EXPERIENCIA DE LABORATORIO #1

1. Objetivos

La idea de esta experiencia era visualizar la estructura o composición microscópica de probetas o muestras de acero, las que provenían de distintas partes mecanicas, como piñones, engranajes, ejes, etc.

2. Desarrollo



Lo primero que hicimos con las probetas, que eran fragmentos de aceros que tenían una cara plana con forma rectangular o de disco principalmente, fue pasar la parte mas lisa sobre lijas al agua, cuyas densidades eran de 240, 320, 400 y 600 puntos por pulgada cuadrada. Las pasadas se hacían en forma vertical, deslizando fuertemente la probeta sobre la lija en un solo sentido, y se debía rotar la probeta en 90° a medida que se cambiaban las lijas.

A continuación, se pulían las caras recién lijadas con polvos de alúmina (AL2O3) de 0.05 micrones y agua, durante 5 minutos, en bandejas o discos que giraban a velocidad constante. Después de tener una superficie completamente lisa, las caras eran lavadas con alcohol y secadas rapidamentecon un secador para evitar manchas que pudieran dificultar la observación microscópica.

Siguiendo con el proceso, se pasó a la sala de microscopios electrónicos, donde se usó un aumento de 100x; las probetas fueron asentadas en masilla, para que estuvieran fijas al momento de ser observadas. Pudimos ver en detalle los distintos tipos de acero, tamaños de grano, imperfecciones, fases de los aceros e incrustaciones.
En las muestras examinadas vimos principalmente aleaciones de hierro y carbono; cuando tienen desde una pequeña cantidad, aproximadamente 0,03%, a un 1,2% de carbono, y de un 0,25% a un 1% de manganeso y menores cantidades de otros elementos (que pueden ser impurezas de silicio, fósforo, azufre y otros), se llaman aceros de bajo carbono. Hay que considerar que el acero tiene como maximo un 2% de carbono.
En la tabla adjunta a continuación, se pueden ver las distintas microestructuras que observamos y su descripción.

Tabla 1: FASES DEL ACERO

|Fases |Descripción |
|Austenita |Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro. La solubilidad del carbono en austenita |
disminuye con la temperatura. |
|Ferrita |Es una solución sólida de carbono en la red cristalina del hierro BCC. Vistas al microscopio, nos |
percatamos que la ferrita es de color blanco y blanda, es decir, mientras menos ferrita tenga el |
||material, mejor son sus propiedades mecanicas, ya que el material se fatiga menos. |
|Cementita |Es un compuesto intermetalico con composición Fe3C, duro y quebradizo. |
|Martensita |Es una estructura que proviene de la austenita; es una solución sólida sobresaturada de carbono en |
hierro tetragonal centrada en el cuerpo. |
|Perlita |Es una estructura laminar de color negro, mezcla de fases ferrita y cementita en laminas paralelas, |
producidas por la descomposición de la austenita. |

Muchas veces se podían ver las distintas fases mezcladas, como placas alternadas de carburo y ferrita, en distintas direcciones, o simplemente fases de perlita, ferrita y carbono, encontradas en el acero maleable.
Dentro de las muestras vistas, había una fundición gris, que es la que se forma cuando el carbono de la aleación se encuentra en una cantidad superior a la que puede disolverse en la austenita, y precipita como hojuelas o flecos de grafito. Es por esto que cuando una pieza de fierro gris se fractura, la superficie de fractura aparece gris a causa del grafito expuesto. Las fundiciones grises contienen de 2,5 a 4% de carbono y de 1 a 3% de silicio.
También vimos fundiciones blancas, las que se forman cuando la mayor parte del carbono en la fundición en estado líquido forma carburo de hierro en vez de grafito al solidificar. Lamicroestructura de una fundición blanca contiene grandes cantidades de carburo de hierro (Fe3C) en una matriz perlítica. Estas fundiciones se rompen para producir una superficie cristalina fracturada brillante o blanca.
Otras impurezas presentes en las muestras son los silicatos (óxido de silicio) y las alúminas (óxidos de aluminio).
En cuanto a las aleaciones de cobre, existen tres principalmente, a saber, cobre-aluminio, cobre-zinc y cobre-estaño; ésta última, también denominada bronce, es fabricada aleando alrededor de un 1 a un 10% de estaño con cobre para formar aleaciones endurecidas por solución sólida.



3. Conclusión

Este laboratorio fue para nosotros una primera aproximación al mundo de los materiales de la ingeniería. Aprendimos las normas basicas que se deben cumplir en la preparación de los materiales para ser examinados microscópicamente, es decir, cómo se lijan y pulen.
Conocimos ademas los componentes primarios de los aceros, fundiciones y aleaciones, cómo se mezclan, cuales son las estructuras que forman y sus principales características.
Lo mas interesante fue la observación a microscopio electrónico, ya que pudimos conocer la composición mas interna de los metales en estudio, lo cual es difícil imaginarselo porque, si bien se nos mostraron fotografías en clases, nunca antes habíamos tenido la oportunidad de apreciarlas realmente.

EXPERIENCIA DE LABORATORIO #2

1.Objetivos:
Fotografiar la estructura microscópica de fase de diferentes muestras de metales. Analizar la composición de las muestras dados los distintos componentes de la aleación y distinguir las distintas impurezas que definenel material y sus características.

2. Desarrollo
Nos fueron entregadas muestras de fundiciones de acero con impurezas de silicato, grafito y otros elementos. Estas fueron atacadas con Nital 3 (composición de alcohol mas acido nítrico), para luego colocarlas bajo el microscopio y analizar su composición. Luego de un vistazo por el lente, comparamos la estructura molecular con diagramas en afiches de el laboratorio. Así reconocemos la cantidad y procedencia de las impurezas.
Se sacaron tres fotos a cada 5 muestras:
-la primera se observo a un aumento de 100 veces, sin atacarlas.
-la segunda , con el mismo aumento, pero atacada.
-la tercera, tambien atacada, fue observada aumentada 400 veces.

Para la segunda parte de la experiencia, se analizaron tres muestras: de aluminio, acero y bronce. El acero fue nuevamente atacado con Nital 3. El aluminio es atacado con acido clorhídrico al 5%. Y el bronce, como todas las aleaciones de cobre, fue atacado con dicromato de sodio.
Estas fueron fotografiadas solo después de atacadas. Pero aún así se sacaron dos exposiciones por muestra: una con un aumento de 100, y otra con 400.

EXPERIENCIA DE LABORATORIO #3

1.Objetivos:
Ensayo de tracción de probetas de muestra. Analisis de resistencia del material a tensiones lineales, mediante medición de los cuellos de la probeta y el area de la sección de fractura.

2. Desarrollo:
Los materiales utilizados en esta experiencia fueron: fundición, acero, bronce y caucho de alta densidad.

La maquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable.Las probetas metalicas poseían medidas estandarizadas, para facilitar y optimizar los datos obtenidos. Su forma era cilíndrica con un largo similar y todas tenían una zona de menor diametro, como lo muestra la figura, para restringir la zona de fractura y facilitar las observaciones.

Esto se debe a que para una misma fuerza aplicada, la tensión es inversamente proporcional al area de sección de la pieza, por lo que en la zona indicada existira una zona de mayor tensión.
Las relaciones entre las deformaciones y las fuerzas ejercidas se pueden diagramar en un grafico Fuerza/Deformación.

Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elastica, en donde la probeta se comporta como un resorte. Si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial.
Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría mas larga que al principio. Se define que ha comenzado la zona plastica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elastica y la zona plastica es el punto de fluencia (yield point) y la fuerza que lo produjo la designamos como fuerza de Fluencia.
Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un maximo en el que la probeta muestra su punto débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello.

En el caso del caucho de alta densidad, la probeta tenía sección rectangular para garantizar un mejor agarre mediante las mordazas haciala maquina de tracción , todo esto debido a que con una sección circular la fuerza de las mordazas deformaría la probeta. Estas también tenían una zona de menor area de sección por las mismas razones antes explicadas.
En el primer ensayo se sometió a tracción un polímero de alta densidad. Dado que las deformaciones eran considerables a simple vista, relacionamos la fuerza aplicada con la deformación existente en la probeta, la que calculamos en forma manual con un medidor de precisión.
La velocidad de separación entre la parte superior e inferior de la maquina traccionadora, era constante y superior a la velocidad de los otros ensayos debido a que las características del material producen una mayor deformación.
Logramos apreciar que una vez que se produjo la ruptura el polímero tendió a recuperar en cierta medida su estado inicial, pero quedando en forma evidente una gran deformación irrecuperable( plastica ).
En el segundo ensayo se sometió a tracción una fundición gris. La forma de medir la deformación fue a través de un Strain Gage que mide la deformación no directamente como longitud sino como un porcentaje de deformación de un largo de 50 mm. ( largo de la probeta que ocupa el Strain Gage ).
La deformación de la probeta fue practicamente elastica en su totalidad y no la pudimos apreciar a simple vista, por lo que usamos el Strain Gage.

La velocidad de tracción fue muy lenta para tener tiempo suficiente para medir los datos durante la aplicación de la fuerza. Debido a las deformaciones elasticas y a la fragilidad del material no se produjo cuello en la zona de ruptura.

En el tercerensayo se sometió a tracción una probeta de acero y las mediciones de deformación se hicieron en la misma manera que la fundición gris y el bronce a través del Strain Gage. En este caso hubo una deformación elasto-plastica donde apreciamos la formación de un cuello en la probeta, lugar en que se produjo finalmente una ruptura.
En el cuarto ensayo se traccionó una probeta de bronce bajo las mismas condiciones que los ensayos de fundiciones y el acero. En este caso también se produjo un cuello pero este fue en la parte superior de la zona de menor area. Esto podría implicar alguna anomalía en el material.

Analisis de los graficos

Acero: Es un material dúctil. Presenta una zona elastica marcada representada por la primera parte lineal del grafico. En esta zona se requiere de una tensión relativamente grande para poder proucir una pequeña deformación. Una vez llegado al punto de fluencia, se ingresa a la zona plastica, donde la ductilidad del material se muestra en todo su esplendor.
Se puede apreciar desde el grafico que en la zona plastica al aumentar un poco la tensión, se produce una considerable deformación.
Como es sabido, la tensión de ingeniería se calcula como Si = Fi / Ao , y la deformación de ingeniería como :
ei = (Li - Lo) / Lo

La tensión real es Ti = Fi / Ai , y la deformación se calcula como Ei = ln (Li / Lo), donde i representa una medición instantanea, y el subíndice “o” representa la medición inicial para el caso del area y el largo.
Para el caso específico del acero, la mayor diferencia entre los dos graficos (Ingeniería y real) corresponde a la ubicación del punto de fluencia; se requiere de unamayor tensión para entrar a la fluencia según las mediciones de ingeniería.

Latón: Este material se comporta muy similar al acero, ya que es también un material dúctil. En el grafico se ve claramente una zona elastica, a continuación se puede distinguir el punto de fluencia, que es de menor tensión que en el caso del acero, y por último una zona plastica. En definitiva, la única diferencia importante con el acero, es que este último requiere que se le aplique una mayor carga para poder producir una deformación permanente.

Goma: La goma tiene una curva tensión-deformación similar a un elastómero, sin embargo estos últimos se comportan siempre en forma elastica. Según nuestra experiencia la goma se comporta plasticamente en todo instante, es decir que al deformarla al aplicarle una fuerza, al descargarla sufrira un cambio y no volvera al punto de longitud inicial.
Podmos agregar que la curva tensión-deformación para los dos graficos es practicamente una relación lineal, sin embargo reiteramos que al descargar la fuerza se habra producido una deformación permanente.

Fundición: Este material presenta comportamiento exclusivamente elastico. No existe una variación en el area inicial en comparacción al area que queda del material fracturado. Acontece lo mismo con la longitud de la probeta. El comportamiento de este material entonces es de la siguiente manera: mientras no se produzca la fractura, independiente de la carga ejercida, una vez descargada, el material que ha sido estirado, vuelve a su longitud original. Nos encontramos entonces frente a un material de tipo fragil.

EXPERIENCIA DE LABORATORIO # 4

Objetivos :
Elobjetivo de este laboratorio, es analizar la influencia de la temperatura de los materiales expuestos a impactos. La idea es poder cuantificar como se comporta la fragilidad del material bajo cambios extremos de temperatura, esto es temperatura ambientes vs. temperatura bajo cero.
La otra experiencia a realizar es la dureza superficial de distintos tipos de acero mediante la utilización de mili-durimetros que permiten determinar la calidad superficial.

Ensayo Charpy

1.- Descripción del Ensayo Charpy:

La idea del ensayo de Charpy es evaluar la resistencia al impacto de aceros a diferentes temperaturas. El ensayo de Charpy permite calcular cuanta energía logra disipar una probeta al ser golpeada por un pesado péndulo en caída libre. El ensayo entrega valores en Kilogramos, y éstos pueden diferir fuertemente a diferentes temperaturas.
El ensayo de impacto consiste en dejar caer un pesado péndulo, el cual a su paso golpea una probeta que tiene forma paralelepípeda ubicada en la base de la maquina. Esta probeta mide 10x10x55 milímetros y tiene una indentación en el centro de profundidad de 2 milímetros. Estas medidas son estandar para este tipo de ensayos. Las probetas se fabrican en el taller de mecanica y tienen la forma de la fotografía. Podemos apreciar probetas antes, y después del ensayo. De éstas una es dúctil (partida en dos mitades) y la otra es la probeta fragil, que esta doblada, sin fracturarse.
Luego de golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura que depende de la cantidad de energía disipada al golpear. Las probetas que fallan en forma fragil se rompen en dos mitades, encambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química, esto obliga a realizar el ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una 'temperatura de transición dúctil-fragil'.
En la siguiente imagen se puede observar el péndulo de Charpy utilizado en esta Experiencia donde se colocan las probetas mencionadas anteriormente con una tenaza especial para evitar cualquier riesgo.
También podemos observar en este dibujo la posición de la probeta y la posición inicial del péndulo a una cierta altura (indicador de energía absorbida por deformación puesto en 0). También se puede ver un posible final de energía absorbida.

Este ensayo se lleva a un grafico como el mostrado en la siguiente imagen donde se puede apreciar un fuerte cambio en la energía disipada para algunos aceros de bajo carbono, mientras que el níquel no muestra una variación notable.
Resultados de pruebas de impacto para varias aleaciones, medidos a través de un intervalo de temperatura

2. Desarrollo del Experimento

Se realizaron 3 experimentos con probetas de características similares de un acero 1020 y forma como la descrita en el ítem anterior, es decir de 10x10x55 milímetros con una indentación de 2 mm. de espesor.

La diferencia entre los 3 experimentos era la temperatura a la que se encontraban las probetas. Primero se ensayo a temperatura ambiente, después a -10°C y por ultimo a –30°C. Para lograr estas temperaturas se utilizó alcohol con hielo seco.
La altura desde la cual se soltaba el péndulo es en los 3 casos igual, porlo que el impacto es de las mismas características de fuerza y velocidad en todos los casos. Podemos apreciar los resultados de energía absorbida en la siguiente tabla.

|N° del Ensayo |Temperatura (°C) |Kilos absorbidos por la probeta |
|1 |ambiente |5 |
|2 |0 |0.9 |
|3 |-30 |0.3 |

También se pudo observar en las probetas ensayadas, que éstas tenían muy poca deformación plastica, lo que significa que el material se quiebra sin deformarse, siendo ésta fragilidad mucho mas acentuada a menor temperatura. Es por este motivo que la mayor deformación la vimos en la probeta que se encontraba a temperatura ambiente.

3. Conclusión del Ensayo Charpy

Podemos concluir de este ensayo que en el acero 1020 se producen fenómenos que a menor temperatura el material es mas fragil por lo que el comportamiento de este acero frente a la baja temperatura es mas malo en caso de impacto, ya que tiene menos deformación y se quiebra con mayor facilidad.
De lo anterior podemos concluir que la fragilidad del material va en directa relación con las bajas temperaturas, lo cual es un factor muy importante a tener en cuenta al momento de escoger un material para destinarlo a una zona con estas características (bajastemperaturas, o grandes oscilaciones térmicas)

Ensayos de Dureza

1. Descripción del Ensayo de Dureza

En el ensayo de Dureza Superficial, se mide la resistencia de un material a ser marcado por otro. Se prefiere el uso de materiales duros cuando éstos deben resistir el roce con otros elementos. Es el caso de las herramientas de construcción (palas, carretillas, pisos, tolvas). El ensayo es realizado con indentadores en forma de esferas, piramides o conos. Estos elementos se cargan contra el material y se procede a medir el tamaño de la huella que dejan. Es un ensayo facil y no destructivo; puede realizarse en cualquier sitio, ya que existen durímetros facilmente transportables. Una de las ventajas del ensayo de dureza es que los valores entregados pueden usarse para hacer una estimación de la resistencia a la tracción. La dureza superficial puede aumentarse añadiendo al material una capa de carbono, en un tratamiento térmico denominado cementación.

La clasificación y los métodos varían con cada material, dando origen a los números de dureza:
HBN (Hardness Brinell Number)
HRA, HRB, HRC, (Hardness Rockwell series A, B, C, )
HVN (Hardness Vickers Number)
entre otros.

Dureza Rockwell:

Se pone la probeta bajo el indentador, que es una bolita de 1/16 de pulgada, y se le aplica una carga previa de 10 Kg. para que se asiente y no resbale posteriormente. Luego se le aplica la carga principal que es de 100 kg. y se espera 15 segundos antes de retirar dicha carga. Al retirar la carga, la maquina entrega un numero de dureza Rockwell B. Este valor se obtiene de la medición de la profundidad de la incisión que deja lacarga. Este proceso se repite 3 veces y para obtener la dureza final, se saca un promedio entre los 3 valores.

Dureza Brinell:

Se pone la probeta bajo el indentador, que en este caso, es una bolita de 2,5 milímetros de diametro, se aplican 10 kilogramos de carga previa y luego se le aplican 167,5 kilogramos. Para obtener la dureza, se debe medir el diametro de la incisión. Dicho diametro se mide con un micrómetro y después se recurre a tablas de donde se obtiene el valor de la dureza Brinell.

Microdureza Vickers:

Este proceso se utiliza para medir la dureza en los granos mediante el uso de un micro-indentador que es un diamante piramidal de la forma de la figura. En este caso se selecciona el grano a ensayar, y se aplica el indentador con una carga de 100 gramos durante 10 segundos. Luego esta indentación se mide mediante un microscopio que es un componente de la maquina para medir dureza de Vickers.
La medición se hace en la diagonal de la incisión, y con
estos datos se recurre a tablas.

2. Desarrollo:

Se realizaron ensayos de dureza Brinell a la probeta 2, que posteriormente se ensayó con impacto. Se le aplicó la carga de prueba y los 167,5 kilos correspondientes a Brinell con una bolita de 2,5 mm de diametro, obteniéndose los resultados de la siguiente tabla.

|Dureza Brinell Probeta 2
|N° de Ensayo |Diametro de la incisión (mm) |Dureza Brinell correspondiente |
|1 |1,38|115 Brinell |
|2 |1,39 |113 Brinell |
|3 |1,38 |115 Brinell |
|Promedio |1,38333 |1,14333 Brinell |

Los valores de la dureza Brinell se obtienen de la tabla Brinell.

Ahora se realiza un ensayo de dureza Rockwell en la probeta 1, con una bolita de 1/16 de pulgada, con una carga previa de 10 kilos y luego una carga final de 100 kilos durante 15 segundos. Obteniéndose de la maquina los siguientes valores, de los cuales el valor final, sera el promedio de los 3 obtenidos.

|Dureza Rockwell probeta 1 |
|N° de Ensayo |Dureza Rockwell B |
|1 |61,8 |
|2 |61 |
|3 |61,5 |
|Promedio |61,433 |

Finalmente se hacen ensayos de microdurezas Vickers a distintos granos de una misma aleación según los métodos antes indicados, ya sean cargas de 100 grs durante 10 segundos con un indentador de diamante piramidal. Se analizaron 3 aleaciones, midiendo durezas en dos granos distintos cada uno:

Primera aleación: CuAl
-Primer grano: Diagonal de 0,71 milímetros. Lo que equivale a una dureza de 589 Vickers obtenida de tablas
- Segundo grano: Diagonal de 0,715 milímetros, lo que equivale a una dureza de 580 Vickers.

Segunda aleación: CuAl
- Primer grano: Diagonal de 0,915 milímetros, lo que equivale a una dureza de 354 Vickers
- Segundo grano: Diagonal de 0,925 milímetros, lo que equivale a una dureza de 347 Vickers

Tercera aleación: NiCuAl
- Primer grano: Diagonal de 0,72 milímetros, lo que equivale a una dureza de 572 Vickers
- Segundo grano: Diagonal de 0,75 milímetros, lo que equivale a una dureza de 527 Vickers

3. Conclusión de los Ensayos de Dureza

De la experiencia podemos concluir que es muy importante poder cuantificar la dureza superficial de un material, porque esto es esencial a la hora de decidir que y como diseñar con dichos materiales. Tenemos distintos tipos de ensayos para medir las durezas, incluso hay algunos que son portables, por lo que tenemos una gran facilidad de medición en lugares poco accesibles. Ademas hay que agregar que no son ensayos destructivos por lo que se puede aplicar a todos los materiales sin mayor gasto de material y por ende con gran seguridad de funcionamiento apropiado de dicho material despues de realizada la prueba.
También mediante el ensaño de microdureza podemos saber como es nuestro material en forma microscópica, lo que nos asegura una composición homogénea y calidad cuantificable

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