TECNOLOGÍA DE MATERIALES M ATERIALES
MEDICIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
LABORATORIO N° 02
Integrantes: Sánchez luzveni Franco Paolo Orellano Arana Jean Carlos Días Shupingaua Kieffer Esmit León Guanilo Oberluis cabrera Abner luwincer
III ciclo - Producción – “C”
FECHA DE REALIZACIÓN DEL LABORATORIO: 15 / 04 /2013 FECHA DE ENTREGA DEL INFORME :
Profesor: Luis Alva
Trujillo-Perú 2012
29 / 04 04 / 2013
I.
OBJETIVOS: 1. Objetivos generales:
Mediante diferentes técnicas identificar y analizar las propiedades mecánicas de los materiales brindados por el profesor.
2. Objetivos específicos: Identificar y reconocer la propiedad mecánica de densidad de los materiales. Identificar y reconocerla propiedad mecánica de resistencia a la fatiga de los materiales. Identificar y reconocerla propiedad del magnetismo de los materiales. Identificar y reconocerla propiedad de elasticidad de los materiales. Identificar y reconocerla propiedad de dureza de los materiales.
II.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
Dureza: Se define la dureza de un mineral como la resistencia que opone a ser rayado. Cuando hablamos de rayar un mineral nos estamos refiriendo a la acción de realizar un surco (arañazo) en su superficie con otro objeto, ya sea una moneda, una punta de cuchillo, la uña, o incluso otro mineral. En general, cuando un objeto A es capaz de rayar a un objeto B, el primero es más duro que el segundo. Es casi evidente que un material cualquiera no puede producir una raya en otro material más duro que él. De la misma manera, un mineral que raya a otro es más duro que este último.
No obstante, es importante tener en cuenta que cuando se raya la superficie de un mineral, se produce un polvillo resultante de dicha raya. A veces, cuando se intenta rayar un mineral con otro más blando que él, este último deja una "raya" de polvillo que pertenece al mineral más blando. Si limpiamos este polvillo, veremos que no hay ningún arañazo en el mineral que intentábamos rayar.
Elasticidad: Es la propiedad que tienen los metales de recuperar su forma primitiva cuando cesa la carga que tendía a deformarlos. Un cuerpo solicitado por una carga en aumento progresivo, pero aplicada alternadamente, sufre deformaciones y recuperaciones de su estado hasta llegar a una determinada carga llamada carga límite, a partir de la cual no recupera su forma, comenzando el período de las deformaciones permanentes. El procedimiento de carga y descarga en forma alternada aumenta la carga límite
Densidad: La densidad es una propiedad general de todos los materiales. La densidad es una propiedad intensiva y su valor depende de la temperatura y de la presión. Se define como la masa de una sustancia presente en la unidad de volumen:
ρ=
Se acostumbra a expresar la densidad de los líquidos y sólidos en g/mL o g/cm 3 y la densidad de los gases en g/L.
La densidad puede obtenerse de forma indirecta y de forma directa. Para la obtención indirecta de la densidad, se miden la masa y el volumen por separado y posteriormente se calcula la densidad. La masa se mide habitualmente con una balanza, mientras que el volumen puede medirse determinando la forma del objeto y midiendo las dimensiones apropiadas o mediante el desplazamiento de un líquido, entre otros métodos. Entre los instrumentos más comunes para la medida de densidades tenemos: El densímetro, que permite la medida directa de la densidad de un líquido El picnómetro, que permite la medida precisa de la densidad de sólidos, líquidos y gases (picnómetro de gas). La balanza hidrostática, que permite calcular densidades de sólidos.
Tabla de densidades de algunos materiales Substancia
Densidad 3
kg/m
Aceite Acero Agua (4 °C) Agua de mar Agujero negro (valor teórico) Aire (25 °C, 1 atm)
920 7850 1000 1027
Alcohol etílico
780
Aluminio
2700
Carbono
2260
Caucho Cinc Cobalto Cobre Cuerpo humano Diamante Estaño Estrella de neutrones (máx.) Gasolina Glicerina (glicerol) Helio Hielo Hierro Hormigón Litio Luna
950 7140 8900 8940 950 3515 7310
Substancia
Densidad 3
kg/m
Iridio Madera (pino) Magnesio Mercurio
22500 700 1740 13580
4×10
Nieve compactada
300
1,184
Níquel Núcleo interno terrestre Núcleo atómico
8900
17
13000 2,3×10
Núcleo del Sol (aproximadamente) Oro Osmio Plata Platino Plomo Poliuretano rígido Sangre
19300 22610 10490 21450 11340 35 1500
1×10
Sol
1411
680 1261 0,18 920 7870 2400 534
Tántalo Tierra (planeta) Torio Uranio Vanadio Vidrio Wolframio 3340
16650 5515 11724 19100 6110 2500 19250
18
150000
Fatiga: La fatiga se puede definir como el "fallo debido a cargas repetitivas que incluye la iniciación y propagación de una grieta o conjunto de grietas hasta el fallo final por fractura ".El análisis de fatiga estructural es una herramienta para evaluar la validez de un diseño, o su durabilidad, bajo condiciones de carga simples o complejas conocidas como cargas de servicio. En muchas ocasiones se puede ver que un componente industrial está sujeto a la aplicación de un esfuerzo inferior al esfuerzo de cadencia del material, en forma cíclica o repetida; un número grande de componentes está sujeto a este tipo de carga, por ejemplo: herramientas, resortes, engranajes,
artefactos
automotores
y
componentes de las turbinas de aviones, entre otros. Sabe
que
el
90%
de
las
fallas
de
los
componentes industriales, es debido a causas mecánicas, de aquí la importancia de éste ensayo. La mayoría de las fallas por fatiga, comienzan
en
la
superficie
y
progresan
inicialmente de una manera lenta; después de que la minúscula muesca o fisura ha crecido considerablemente por la tensión, rotación o flexión, la fractura ocurre de repente. Como se mencionaba anteriormente, el esfuerzo cíclico puede ocurrir como resultado de rotación, flexión o tensión y es de precisar que aun cuando el esfuerzo esté por debajo del límite elástico, el material puede fallar después de numerosas aplicaciones de dicho esfuerzo.
Magnetismo: El magnetismo es la propiedad que tienen algunos materiales (imanes) de atraer a los materiales magnéticos (presentan contenido en hierro, níquel, cobalto y algunos otros metales más raros). Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe 3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Podemos decir que un imán permanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporal no conserva su magnetismo tras haber sido imantado.
En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.
La región del espacio donde se pone de manifiesto la acción de un imán se llama campo magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias, cerradas, que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el interior de éste; se representa con la letra B. Los imanes pueden ser: Naturales: son ciertos minerales de hierro (magnetita) y algunos otros metales (neodimio) que se encuentran en la corteza terrestre. Artificiales: adquieren temporalmente propiedades magnéticas por ejemplo al ser frotados con otro imán. Las propiedades de los imanes son las siguientes: Sólo son capaces de atraer a los materiales magnéticos. Polos de igual nombre se repelen y de distinto nombre se atraen. Al día de hoy, no han podido aislarse polos magnéticos.
III.
EQUIPOS, HERRAMIENTAS, MATERIALES: Herramientas:
Balanza digital
Llave Allen
Imán
Dispositivo de ensayo de elasticidad. Dispositivo de ensayo de fatiga. El módulo del laboratorio de materiales.
Probeta graduada
Martillo de goma
MATERIALES:
Aluminio
Acero
Cobre
Poliamida
Vidrio
Acrílico
Resina de fenol
Bronce
Plomo
IV.
PVC - duro
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: 1. Procedimiento: 1.1. Procedimiento para la propiedad de Dureza:
Determinar mediante el rayado sucesivo de uno contra otro, la dureza de los materiales de ensayo.
Ordenarlos de manera decreciente en el cuadro respectivo.
1.2.Procedimiento para la propiedad de Densidad:
Determinar la masa de uno de los materiales de ensayo (balanza).
Determinar el volumen del material de ensayo (cálculo geométrico).
Calcular la densidad según la fórmula (densidad = m/v).
Buscar en tablas la densidad de la materia ensayado (compare ambos valores de densidad).
1.3.Procedimiento para la propiedad de Resistencia a la fatiga:
Colocar el material en la ranura del dispositivo de ensayo.
Ajustar el material de ensayo.
Doblar hasta los topes del dispositivo en ambos lados repetidamente contando el número de veces que se dobla.
Determinar el número de veces que se dobló el material hasta producir su rotura.
Registrar los valores en la tabla y graficar en forma de barras.
1.4.Procedimiento para la propiedad de Magnetismo:
Determinar cuáles de los materiales de ensayo son o no son magnéticos.
Para los materiales no magnéticos, indicar con un aspa (X) en el recuadro correspondiente.
Para los materiales magnéticos, medir la distancia máxima a la cual el material es atraído por el imán.
Anotar la distancia correspondiente del paso anterior en el recuadro correspondiente.
Identificar específicamente, en función de las distancias obtenidas, el nombre de los materiales magnéticos.
1.5.Procedimiento para la propiedad de Elasticidad:
Sujetar el dispositivo de ensayo en el tornillo de banco.
Enderezar el material utilizando el martillo de goma.
Colocar el material en el dispositivo de ensayo.
Ajustar manualmente el tornillo hasta lograr la verticalidad del material.
Doblar hasta el tope del dispositivo, empujando desde la base.
Retirar el material.
Determinar el ángulo de retroceso debido a la elasticidad.
Registrar los valores en la tabla y graficar en barras verticales.
2. OBSERVACIONES:
Al realizar la experiencia de la propiedad de resistencia a la fatiga, tuvimos dificultad con dispositivo de ensayo de fatiga, ya que este instrumento tenia la tendencia a salir de su lugar.
El profesor tuvo que explicarnos el uso correcto del Barnier, ya era necesario para obtener las dimensiones de las muestras dadas por el profesor para hallar sus densidades.
Realizando la experiencia de la propiedad de resistencia a la fatiga, tuvimos complicaciones por no saber utilizar el dispositivo de ensayo de fatiga.
Se tuvo que hacer conversiones de unidades, para encontrar el volumen ya que el Barnier nos proporcionaba las dimensiones en mm, mientras que la probeta en 3
cm .
En el proceso de la determinación de la dureza de los materiales, resulto sorprendente para nosotros el descubrir, que un material no metálico (vidrio), sea más duro que un material metálico (acero inoxidable).
Se observo que el volumen obtenido mediante el Barnier y el obtenido por la bureta eran diferentes, esto debido a que los materiales no presentaban una forma geométrica regular.
Se observo que todos los materiales metálicos ferrosos no eran magnéticos, ya que el acero inoxidable férrico era magnético y por el contrario el acero inoxidable austenítico no era magnético.
Realizando la experiencia a la resistencia a la fatiga, conocimos a otro material conocido como electrodo.
3. Diagramas y esquemas
DENSIDAD
ELASTICIDAD
DUREZA PROPIEDADES
RESISTENCIA A LA TRACCIÓN
RESISTENCIA A LA FATIGA DUREZA
MAGNESTISMO
• Es la propiedad que tienen los materiales de resistir a cargar continuas.
• Es la resistencia al rayamiento. • Resistencia que se opone a la penetración de otro cuerpo duro.
ELASTICIDAD
• Propiedad que tien un material para deformarse y recobra su forma original una vez que cesa la fuerza que lo deforma.
MAGNETISMO
• Propiedad que tienen los materiales de ser atraidos por un imán.
DENSIDAD
• Es la relacion de la masa (m) alvolumen (v).
4. TRATAMIENTO DE DATOS: 1.Tratamientos para la propiedad de Dureza: MATERIAL MÁS DUROS 1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º
VIDRIO ACERO INOXIDABLE COBRE BRONCE ALUMINIO ACRÍLICO PVC-DURO RESINA
MENOS DUROS
1.1.Análisis y evaluación final de la propiedad de dureza:
¿Un material no metálico puede ser más duro que un metal? Sí, porque mediante los experimentos realizados a los diferentes materiales provistos por el profesor, comprobamos y apreciamos, que el vidrio siendo un no metal es más duro que el acero que es un metal. Por lo tanto un no metal si puede ser más duro que un metal.
¿La dureza de los aceros y de los materiales sintéticos son iguales? En caso contrario menciones ejemplos. Al ser materiales distintos, su dureza no es igual, ya que pueden suceder dos casos: -Que un material acero (acero inoxidable), sea más duro que un sintético como es el caso del PVC-Duro. -Que un material acero (acero inoxidable), sea menos duro que un sintético como es el caso del vidrio.
¿Cuál es el material más duro, de los que Ud. ha ensayado? El material más duro de los que ensayamos, fue el vidrio, ya que este material sintético evito ser rayado por los demás materiales provistos por el profesor en el t aller.
¿El menos duro? El material menos duro de los que ensayamos, fue la resina ya que este material no logro evitar el rayado por los demás materiales ensayados.
De los materiales ensayados: Metal más duro: El acero inoxidable Metal menos duro: El aluminio
¿Todos los materiales sintéticos tienen igual dureza? No, y eso se comprobó en los ensayos realizados, donde el vidrio obtuvo una gran dureza y la resina una muy baja dureza, por lo tanto los material sintéticos no tienen igual dureza.
2. Tratamientos para la propiedad de Densidad: Medición del volumen con uso del Barnier.
Materiales m (g) Aluminio Aluminio SAE 1045 Acero de construcción Acero inoxidable Acero inoxidable
18,6 7,1 23,4
Plomo
44,7
Cobre Bronce Acero inoxidable Poliamida
48,8 50,4 22,6 29,6
Dimensiones Cilindro Paralelepípedo r (mm) h (mm) a (mm) b (mm) c (mm) 9.425
12,40 r1:11,225 r2:6,675 9,55
25,35
12,45
7,29
6,4
7,68 8,088 4,669
20,85
5,973 7,235 3,048 43,952
13,35
m (g)
24,35
18,25 25,75 24,75
Con la probeta
Poliamida
23,1 51,9
11,15 29,55
25,20 6,3
78,5
V calculado( cm )
Aluminio Aluminio SAE 1045 Acero de construcción Acero inoxidable Acero inoxidable Plomo Cobre Bronce Acero inoxidable
10 9,55
15,9
3
Materiales
11,10 9,6
24,95
53,9 55,1 54,2
25,5 33,4
V (cm ) 6,962 2,87 3,062
Con el Barnier
Densidad Calculada (g/cm3) Con datos Con datos de la del Barnier probeta
3,062
2,325 2,366 7,8
2,671 2,473 7,642
3
7,29
7.7
7,393
7 mL = 7 cm
3
7,68
54.2
7 mL = 7 cm
3
8,088
44.7
4 mL = 4 cm
3
4,669
48.8
6 mL = 6 cm
3
5,973
50.4
6 mL = 6 cm
3
7,235
7.87 7,74 11,17 8,133 8,4
7,174 6,701 9,573 8,17 6,966
29.6
3 mL = 3 cm
3
3,048
9,866
9,711
22.6
27mL =27cm
3
43,952
0,837
0,514
18.6
8 mL = 8 cm
3
6,962
7.1
3 mL = 3 cm
3
2,87
23.4
3 mL = 3 cm
3
53.9
7 mL = 7 cm
55.1
De tablas (g/cm3)
2,7 7,85(depende de su composición ) 11,3 8,94 8,89 7,85(depende de su composición) 1,13
2.1 Análisis y evaluación final de la propiedad de densidad:
NOTA:
Como podemos observar los volúmenes obtenidos tienen una gran diferencia, esto se debe a que las figuras geométricas de las muestras no eran de forma regular; es por esto que al hallar el volumen mediante una fórmula geométrica obtenemos un valor un poco alejado del correcto. POR ESTE MOTIVO PARA HALLAR LOS ERRORES PORCENTUALES DE LA DENSIDAD LO REALIZAREMOS CON LOS DATOS OBTENIDOS TRAS LA MEDICIÓN CON LA PROBETA, YA QUE ESTOS SON MÁS EXACTOS
ERROR PORCENTUAL: %E = VALOR TEÓRICO – VALOR CALCULADO/VALOR CALCULADO
ALUMINIO:
16,12%
ACEROS:
0,64%
PLOMO:
1,16%
COBRE:
9,96%
BRONCE:
5,83%
POLIAMIDA:
35%
El método de ensayo para determinar la densidad ¿se puede aplicar a todos los materiales?¿a cuáles cree Ud. Que no sería posible de realizarla? Fundamente sus respuestas. No, ya que hay materiales que son menos densos que el agua y por lo tanto al realizar este experimento para hallar su densidad estos materiales f lotarían.
Con ayuda de las tablas de densidades y de los resultados obtenidos: ¿Para qué materiales son válidas las siguientes afirmaciones? -El cobre tiene aproximadamente 3 veces la densidad del: ALUMINIO. Se requiere ver la cantidad de kg. de barra de bronce de ½ “a utilizar para 20
alumnos, si cada uno de ellos debe tener 200 mm de barra. Se requiere por alumno 200mm: 200mm * 20 = 4000mm = 4metros ½ pulgada = 0,01metros Entonces:
El volumen de la barra sería: 0,01 * 0,01 * 4 = 0,0004 m 3
Hallando los kg:
Densidad del bronce:
Por lo tanto:
Masa = 889 kg/ m 3 * 0,0004 m3 Masa = 0,3556 kg
3. Tratamientos para la propiedad de Resistencia a la fatiga:
PUEBA DE RESISTENCIA A LA FATIGA
nº de dobleces
0
5
10
15
20
nº de dobleces Aluminio
11
Cobre
10
Acero
20
3.1.Análisis y evaluación final de la propiedad de resistencia a la fatiga:
¿Qué materiales son los más apropiados para la fabricación de partes dobladas a las cuales se les debe aplicar fuerzas variable? Mediante los ensayos en varios materiales, apreciamos que el más apropiado para la fabricación de partes dobladas es el Acero, ya que este acero soporta bastante fuerza variable.
¿Qué entiende por “fatiga” de un material?
Es la propiedad que tiene un material para contrarrestar y soportar cargas consecutivas.
Menciona un ejemplo en el cual un material se encuentra sometido a la fatiga. Acero inoxidable: Un martillo al ser golpeado varias veces para cumplir su función este tiene que soportar cargas consecutivas.
De los material ensayados: El material con mayor resistencia a la fatiga: Es el acero El material con menor resistencia a la fatiga: Es el cobre ¿Qué entiende por retroceso elástico? Es la acción de la propiedad elástica de volver la deformidad de un cuerpo a su estado real.
¿Qué entiendes por elasticidad? Es la propiedad que tiene un cuerpo para deformarse y volver a su estado real.
¿Es lo mismo elasticidad que plasticidad?
No es lo mismo, ya que cuando un cuerpo se deforma en la elasticidad el material recupera su estado real, pero en la plasticidad el material no recupera su estado real.
El material con mayor retroceso elástico es: El material con mayor retroceso
encontrado en los ensayos es el BRONCE.
4. Tratamientos para la propiedad de Magnetismo: Nº 1 2 3 4
5
MATERIALES
Magnético
Aluminio Acero para herramientas Acero inoxidable Austenítico Acero inoxidable ferrítico Acero SAE 1045
Distancia (mm) 0 24 0 23 20
4.1.Análisis y evaluación final de la propiedad de magnetismo:
¿Qué materiales no se pueden sujetar utilizando la fuerza magnética? El material que no se puede sujetar utilizando fuerza magnética es el Aluminio.
5. Tratamientos para la propiedad de Elasticidad:
ÁNGULO DE RETROCESO 23.5
Bronce 11
Electrodo
14
Aluminio Cobre
9
5.1.Análisis y evaluación final de la propiedad de elasticidad:
¿Los materiales blandos tienen mayor retroceso elástico que los duros? No, ya que por ser blandos estos materiales tienden a tener menor coeficiente de elasticidad.
¿Qué entiende por elasticidad? Es la capacidad que tiene un cuerpo para deformarse y posteriormente volver a su estado real.
¿Es lo mismo elasticidad que plasticidad? No, ya que plasticidad es la capacidad que tiene un cuerpo para deformarse sin volver a su estado real y en la elasticidad el cuerpo deformado puede volver a su estado real.
V.
El material con mayor elasticidad es: bronce. El material menos elástico es: cobre.
DISCUSIÓN: Para el ensayo de la propiedad de dureza, nosotros es decir: Jorge, Jaime y Melissa, discutíamos acerca de que material seria más duro y resistente al rayado. Jorge decía que sería el acero, Darlin el bronce y Melissa el aluminio, al final después de haber concluido con la realización del experimento de la propiedad de dureza, todos nos topamos con la sorpresa, ya que el vidrio fue el material más duro, a pesar de ser un no metal, con lo cual también los tres es decir: Jorge, Jaime y Melissa, aprendimos que no necesariamente los metales tienen más dureza que los no metales.
VI.
CONCLUSIONES:
Para la medición de la densidad de los materiales no solo se realiza un método ya que comprobamos realizando el ensayo de la propiedad de densidad dos formas, una por medio del Barnier y otra por medio de una bureta llena de agua.
No con todos los materiales podemos encontrar el volumen mediante el método de la bureta, ya que hay materiales que son menos densos que el agua y flotarían, lo que impediría hallar el volumen de determinados materiales.
Los materiales metales no son siempre los más duros que los no metales y eso lo comprobamos viendo la dureza entre un no metal (vidrio) y un metal (acero).
Para poder realizar el cálculo de la densidad de un material se puede realizar mediante diversos métodos.
VII.
BIBLIOGRAFÍA: Tecnología de Materiales II (teoría) – TECSUP- pág. 2-8.
TRANSFERENCIA
EXPERIENCIA 1: DETERMINACIÓN DE LA PROPIEDAD DE DUREZA
VIDRIO
ACERO
MÁS DUROS
COBRE
BRONCE
ALUMINIO
ACRÍLICO
PVC
MENOS DUROS
RESINA
EXPERIENCIA 2: DETERMINACIÓN DE LA PROPIEDAD DE RESISTENCIA A LA FATIGA
MÁS RESISTENTES
ACERO ALUMINIO COBRE
MENOS RESISTENTES
EXPERIENCIA 3: DETERMINACIÓN DE LA PROPIEDAD DE MAGNETISMO
ACERO PARA HERRAMIENTAS
ACERO FERRÍTICO
ACERO SAE 1045
ACERO AUSTENÍTICO
ALUMINIO
EXPERIENCIA 4: DETERMINACIÓN DE LA PROPIEDAD DE ELASTICIDAD
MÁS ELÁSTICOS
BRONCE
ALUMINIO ELECTRODO COBRE
MENOS ELÁSTICOS
ALUMINIO PROPIEDADES
•
•
•
Densidad: 2,7 kg/dm3 Punto de fusión: 660 °C. Resistividad: 0,026
CARACTERÍSTICAS
Ω·mm2/m. •
Resistencia a la tracción:
10 - 20Kg/mm2
Es muy ligero e inoxidable al aire, Es buen conductor de la electricidad y del calor. Es muy maleable y dúctil.
APLICACIONES
Conducciones eléctricas. Alambres Chapas Perfiles y barras de diferentes secciones.
COBRE PROPIEDADES •
•
Densidad: 8,90 kg/dm3. Punto de fusión: 1083
CARACTERÍSTICAS
°C. •
Resistividad: 0,017 Ω·mm2/m.
•
Resistencia a la tracción
Es muy dúctil. Posee una alta conductividad eléctrica y térmica. Oxidación superficial (verde)
APLICACIONES Fibra óptica. Cables eléctricos.
18 kg/mm2.
VIDRIO PROPIEDADES
Densidad a 25ºC(1) 2,49 g/cm3 Coeficiente de dilatación lineal a 25 ºC(2) 8,72•10-6 ºC-1 Conductividad térmica a 25 ºC 0,002 cal/cm.s.ºC
CARACTERISTICAS
APLICACIONES
Material inorgánico duro.
Envases para bebidas.
Ventanas
Frágil. Transparente Amorfo que se encuentra en la naturaleza
Vitrinas Mostradores
