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Guía
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Facultad: Ingeniería.
Escuela: Mecánica.
Asignatura: Ciencia de losMateriales
IDENTIFICACIÓN DE MATERIALES
Objetivos específicos
Al finalizar la práctica, el estudiante será capaz de:
• Identifique por lo menos 4 diferentes tipos de materiales con base al análisis
visual, magnético y de densidad.
• Realizar el ensayo de chispa en muestras de aleaciones ferrosas y cuantificar
(aproximadamente) el contenido de carbón para cada una por medio de este
método comparativo.
Introducción teórica
La identificación de los materiales puede hacerse de diferentes formas:
a) Composición química.
b) Sus estructuras: Cristalina, micrográfica, micrográfica.c) Por las temperaturas a que tienen lugar su fusión ó solidificación y sus
Transformaciones alotrópicas, entre otras formas.
Pues bien, para poder conocer o comprobar las características de los metales y
aleaciones es necesaria la ejecución de ensayos para determinar su composición,
sus estructuras, sus temperaturas de fusión y puntos críticos, y su constitución. Al
conjunto de estos ensayos se les llama de características.
A continuación una breve descripción de cada ensayo común mente utilizados para la
identificación de materiales: Ensayos de composición
Tiene por objeto establecer la composición química de los materiales. Puesto
que los aspectos de más importancia de la química es conocer qué sustancias
componen un material y en que cantidades se encuentran; esto hace que se
constituya el doble objetivo de la química analítica, por ello este procedimiento se
divide en dos partes:
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a) Análisis químico cualitativo.
b) Análisis químico cuantitativo.
Mientras que el primero trata del reconocimiento de los compuestos o elementos
existentes en un material, el análisis cuantitativo se interesa por determinar el
porcentaje de esas sustancias.
En cualquier caso, la información necesaria se obtiene mediante una propiedad física
que esté relacionada de modo característico con el componente que se investiga
(Carbón, Fósforo, Cromo, Níquel, etc.).
Análisis cualitativo y semi cuantitativo
a) Comprobación Magnética
La comprobación magnética de diferentes aceros ferromagnéticos se puede distinguir
fácilmente de los que no los son por medio de un imán.
Aceros magnéticos son todos los aceros cuya estructura contiene perlita, ferrita,
bainita o martensita. Están comprendidos todos los aceros no aleados, los de baja y
media aleación, los aceros ala Cromo - Silicio y al Cromo, y los aceros al Manganeso
con menos de 10%. Aceros no magnéticos son los que tiene estructura austenitica
como los aceros al Cromo - Níquel, aceros al manganeso con más de 10% y los
aceros al Níquel con más de 20%.
Comprobación de la Densidad.
Si consideramos los diferentes materiales para la construcción de piezas
mecánicas o de cualquier tipo, es fácil deducir que no todos poseen el mismo peso
aún cuando todos tengan las mismas dimensiones geométricas.
Podemos definir la densidad como la razón que existe entre la masa del material y el
volumen que la contiene; matemáticamente se expresa de la manera siguiente:
ρ = m/V
Sus unidades en el Sistema Internacional son [Kg. / m3]
Todos los materiales poseen densidades distintas, en el caso de las aleaciones, es
difícil establecer un valor exacto de densidad por cada material de la aleación por lo
tanto, el valor obtenido será un equivalente.
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Ensayo de chispa.
Para identificar de una forma rápida y aproximada el tipo de acero y el
porcentaje de carbono que se posee en el acero, existe el ensayo de chispa.Con esto se puede reconocer la calidad del acero de una determinada pieza, no
obstante se requiere una relativa experiencia para la identificación y dar una
interpretación de la chispa producida.
La chispa se produce al atacar una aleación ferrosa con una muela de esmeril
girando a gran velocidad arranca partículas del material las cuales son proyectadas
tangencialmente por la periferia de la muela. Al mismo tiempo que tiene lugar este
desprendimiento de material, se produce un fuerte calentamiento local, las partículas
se desprenden a altas temperaturas que las ponen incandescentes, produciéndose
rayos luminosos, chispas, explosiones, estrellas, arborescencias luminosas, etc.
Cada tipo de acero produce una serie de chispas características, mediante la
observación de estas pueden identificarse determinados tipos de aceros.
Este ensayo no puede sustituir al análisis químico, pero permite reconocer
bastante bien los materiales y la presencia de ciertos elementos de aleación.
NOTA: Debe tenerse en cuenta que la carburación o descarburación puede ser
causante de clasificar mal un acero ¡NO SOBRECALIENTE LA MUESTRA!.
En cuando al tipo de chispas proyectadas, aquí se indican un par características
importantes:
Características de la chispa
Un haz de chispa puede dividirse en tres partes principales las cuales son
mostradas en la figura 1: la primera, a la salida de la piedra del esmeril, que se
encuentra formada por rayos rectilíneos en los que puede observarse perfectamente
el color característico.
La segunda zona es la de bifurcación, y algunas veces tiene lugar en ella algunas
explosiones.
La Tercera y última zona, es donde aparecen la mayor parte de las explosiones
adopta diversas formas, que se denominan estrellas, gotas, lenguas, flores, etc.
La observación debe de hacerse, en lo posible, en lugar oscuro. La muela debe de
girar en sentido contrario al ordinario, para que el haz de chispas se proyecte hacia
arriba y poder así observarlo mejor.
Conviene disponer de la pieza de acero ensayada, para ayudar a la identificación de
chispa.
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Figura 1 Características de las diferentes tipos de chispas y sus etapas
de desarrollo.
Influencia de los componentes
Carbono: Los aceros al carbono de 0.15 a 0.13% de C dan chispas formadas
por rayos lisos de color amarillo oscuro, en cuya punta aumenta ligeramente el
volumen y la luminosidad. A medida que aumenta el contenido de carbono, aumenta
el número de explosiones en formas de lanzas y flores, siendo más brillantes yluminosas.
Molibdeno: se identifica, en los aceros que lo contienen, por aparecer en los
extremos de los rayos amarillos una prolongación completamente separada de color
rojo anaranjado.
Wolframio: también se identifica con facilidad, por que da chispas de color rojo
oscuro, menos luminoso que el de todos los aceros, que sólo se aprecia en locales
oscuros. Si la proporción de Wolframio es alta, de más de 18%, las chispas son todas
rojas, aunque a veces se producen ligeras explosiones de color rojo.
A continuación presentamos unas fotografías de algunos aceros ensayados por
chispa. Para ver una lista más completa, el lector debe visitar la referencia [5].
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c.3) Chispas de diferentes tipos de aceros (
Acero templado y revenido (AISI-Standard 4140)
Acero AISI 1045
Acero para herramienta AISI Standard W1
Acero aleado con Mn-Si AISI Standard S4
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Acero aleado para herramienta AISI Standard O2
Analice cada una de las figuras anteriormente presentadas ya que de esto depende el
aprovechamiento de la práctica a realizar
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Materiales y equipos
A continuación se procederá a la lista de materiales y dispositivos a requerir para el
desarrollo de la práctica:
Tabla 1 lista de materiales.ITEM Cantidad Designación
1 3 Barras cilíndricas de acero AISI 1020 de ∅3/4” X 2” L
2 3 Barras cilíndricas de acero AISI 1045 de ∅3/4” X 2” L
3 3 Barras cilíndricas de acero AISI 4340 de ∅3/4” X 2” L
4 3 Barras cilíndricas de acero AISI 01 de ∅3/4” X 2” L
5 3 Barras cilíndricas de acero AISI 304 de ∅3/4” X 2” L
6 3 Barras cilíndricas de aluminio AISI 6061 ∅1/2” X 2” L
6 3 Barras cilíndricas de bronce fosfórico ∅1/2” X 2” L
7 3 Esmeril de banco
8 4 Tenaza de presión
9 6 Par de güantes de caraza
10 2 Balanza electrónica de precisión
11 2 Cilindro de cristal o plástico de 100 mL (graduado).
12 1 Lentes de seguridad (uno por participante)
13 2 Imán permanente
14 3 Calibrador Vernier (Pie de Rey )
Procedimiento
Parte I Medición de la densidad:
Como bien se explicó anterior mente, la densidad de un material se puede
calcular si se conoce de éste su cantidad de sustancia (masa, kg, Lb., slug, tonelada,
etc…) y su volumen ocupado (en m^3, ft^3, mL, galón, etc). Pues bien, la razón masa
por unidad de volumen dará un valor aproximado de la densidad del objeto en
análisis.
Este es un método indirecto y su efectividad depende de precisión de del equipo y los
instrumentos de medición utilizados para ello. También, dado que los materiales no se
encuentran en esto puro si no aleado, las variaciones encontrada entre el valor medido y
el encontrado en la carta del material.
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Así, con las indicaciones dadas por su instructor, proceda a medir (con la balanza)
la masa de las piezas asignada, misma a las que posteriormente se les medirá su
volumen (usando el cilindro graduado) para luego determinar su densidad.
Sigua el procedimiento indicado por su instructor para los diferentes tipos de materiales
que se le entregarán. Complete el cuadro comparativo entre los valores calculados y los
que sugieren los textos o cartas de materiales.
Procedimiento II
Utilizando muestras de aleaciones que se proporcionan y con base a las figuras de
ensayo de chispa presentadas anteriormente, realice para cada uno el ensayo de la
chista y describa el tipo de chispa generada cuando la pieza entra en contacto con la
muela abrasiva. Repita el mismo procedimiento para cada pieza.
No olvide utilizar el equipo de protección personal necesario para el desarrollo de
esta práctica, así como también, seguir todas las indicaciones dadas por su instructor a
cargo.
Haciendo un análisis comparativo, complete los datos solicitados en la tabla 2.
Tabla 2 análisis de resultados
No Densidad (Kg/m^3) Magnético Tipo de chispa Materiales
1
2
3
4
5
6
7
8
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Análisis de resultados
• Presente la tabla I con el nombre del material resultante según el resultado.
• Investigue sobre la norma AISI para identificación de metales ferrosos y no
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Investigación complementaria
• Investigue sobre los ensayos mecánico más comunes realiados a materiales de
ingeniería.
• Investigue qué es, desde el punto de vista de energía, el módulo de resiliencia y
tenacidad y cuál es su relación con el ensayo de tensión.
Bibliografía
1) Ciencia de los Materiales para Ingeniería. , Avner, Sydney,
a. Item biblioteca 669.95 A959 1995
2) Ciencia de los Materiales para Ingeniería. , Keyser, Carl A,
a. Item biblioteca 691 R44c 1982
3) La Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Askeland, Donald R
a. Item biblioteca 620.11 A834 2000
4) Materiales y Procesos de Manufactura. Neely, John E
a. Item biblioteca 672 N432 1992
5) http://tq.educ.ar/grp0128/analisis.htm
(si su máquina está conectado a Internet, haga Ctrl. + Clic en el titulo de libro para ir a ITEM biblioteca UDB)