CIENCIA DE LOS MATERIALES

Ciencia de los materiales. Guía 1 1
CIENCIA DE LOS
MATERIALES
Ciencia de los materiales. Guía 1
1
Tema: IDENTIFICACIÓN DE MATERIALES
Contenidos
Análisis cualitativos y semi cuantitativos de los materiales
Objetivos
Específico
Al finalizar la práctica, el estudiante será capaz de:
 Identificar por lo menos 4 diferentes tipos de materiales con base a la comparación
visual de la chispa, a la respuesta a la atracción magnética y a la medición
indirecta de densidades en las muestras de materiales proporcionados.
 Comparar sus resultados con información sobre composición y propiedades de
materiales que pueda encontrar con ayuda de las TIC
Materiales y Equipo
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
5
3
Barras cilíndricas de acero AISI 304 de
6
3
Barras cilíndricas de aluminio AISI 6061
6
3
Barras cilíndricas de bronce fosfórico
7
3
Muestras de vidrio
8
3
Muestras de polímero
9
2
Esmeril de banco
10
3
Tenaza de presión
11
6
Par de guantes de carnaza
12
2
Balanza electrónica de precisión
13
2
Probeta de cristal o plástico de 100 mL, graduada.
14
1
Lentes de seguridad (uno por participante)
15
2
Imán permanente
16
3
Calibrador Vernier (Pie de Rey )
3/4” X 2” L
3/4” X 2” L
1/2” X 2” L
1/2” X 2” L
Ciencia de los materiales. Guía 1
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Marco Teórico
La identificación de los materiales puede hacerse de diferentes formas:
a) Composición química.
b) Sus estructuras: macrográfica, micrográfica, cristalina.
c) Por las temperaturas a que se funden o solidifican.
d) Por sus transformaciones alotrópicas,
e) Por su dureza,
Y por muchas otras.
Pues bien, para poder conocer o comprobar las propiedades y características de los
materiales de ingeniería, es necesaria la ejecución de ensayos y pruebas.
A continuación una breve descripción de algunos ensayos comúnmente utilizados para la
identificación de materiales, si el lector está interesado en información detallada sobre estos u
otros ensayos o pruebas, se recomienda visitar el sitio www.astm.org/
Ensayos de composición química
Tiene por objeto establecer la composición química de los materiales, que consiste en
conocer qué elementos y compuestos conforman un material y en qué cantidades se
encuentran, este procedimiento se divide en dos partes:
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 elemento químico que se investiga (Carbón,
Fósforo, Cromo, Níquel, etc.). Si el lector está interesado en las propiedades físicas,
mecánicos o en la composición de un material en particular se le recomienda visitar el sitio
www.matweb.com/
Análisis cualitativos y semi cuantitativos
a) Prueba Magnética
La comprobación magnética de diferentes aceros ferro-magnéticos 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 al Cromo- Silicio y al Cromo, y los aceros con menos de 10% de Manganeso.
Aceros no magnéticos son los que tienen estructura austenítica como los aceros al Cromo
- Níquel, aceros con más de 10% de Manganeso y los aceros con más de 20% de Níquel.
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b) Prueba de la Densidad.
Si consideramos los diferentes materiales para la construcción de objetos y de piezas
mecánicas, es fácil deducir que no todos poseen el mismo peso aún cuando todos tengan
las mismas dimensiones geométricas.
La densidad es 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/m 3], aunque también es común
expresarla en g/cm 3.
A cada material se le puede medir su densidad, a veces es difícil establecer la diferencia de
densidad entre dos materiales, como en el caso de familias de materiales, un ejemplo es la
familia de aceros al carbono donde es necesario utilizar equipo muy sensible para
establecer la diferencia en densidad entre uno y otro.
c) 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 experiencia para la identificación y dar una interpretación correcta a la chispa
producida.
La chispa se produce al presionar una pieza de una aleación ferrosa contra una rueda (muela) de
esmeril girando a gran velocidad arrancándole partículas de material, las cuales son
proyectadas tangencialmente por la periferia de la rueda. 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.
Este ensayo no puede sustituir al análisis químico, pero alguien con un ojo bien entrenado,
reconoce bastante bien los materiales y la presencia de ciertos elementos de aleación.
NOTA: Debe tenerse en cuenta que la carburación o descarburación de un acero puede ser
causante de clasificar mal un acero, si para hacer la prueba de la chispa necesita una porción de
una pieza, ¡NO SOBRECALIENTE LA MUESTRA AL MOMENTO DE SEPARARLA DE
UNA PIEZA!
Cada tipo de acero produce una serie de chispas características, mediante la observación de
éstas y la comparación con fotografías pueden identificarse determinados tipos de aceros. Esta
comparación se debe hacer en un lugar donde no haya mucha luz y la persona debe tener un ojo
bien desarrollado. También se pueden tomar fotos o videos y comparar.
En cuando al tipo de chispas proyectadas, aquí se indican algunas características importantes:
Características de la chispa
Un haz de chispa puede dividirse en tres partes principales las cuales son mostradas en la figura
1:
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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 rueda de esmeril debe de
girar en sentido contrario al ordinario, para que el haz de chispas se proyecte hacia arriba y
poder así observarlo mejor.
Figura 1 Características de las diferentes tipos de chispas y sus
etapas de desarrollo.
Influencia de los componentes
Carbono: Los aceros que contienen entre 0.15 y 0.13 % de carbono 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 y luminosas.
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, porque da chispas de color rojo oscuro,
menos luminoso que el de todos los aceros, que sólo se aprecia en locales oscuros. Si la
cantidad de Wolframio es más de 18%, las chispas son todas rojas, aunque a veces se
producen ligeras explosiones de color rojo.
A continuación se presentan unas fotografías de algunos aceros ensayados por chispa.
Para ver una lista más completa, el lector debe visitar la referencia [5].
Ciencia de los materiales. Guía 1
Chispas de diferentes tipos de aceros
Chispa 1: Acero templado y revenido AISI-Standard 4140
Chispa 2: Acero AISI 1045
Chispa 3: Acero para herramienta AISI Standard W1
5
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Chispa 4: Acero aleado con Mn-Si AISI Standard S4
Chispa 5: Acero aleado para herramienta AISI Standard O2
Chispa 6
6
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7
Chispa 7
Chispa 8
Analice cuidadosamente cada una de las figuras anteriormente presentadas ya que de
esto depende el aprovechamiento de la práctica a realizar
Procedimiento
Parte
I Medición de la densidad:
Bibliografía
Este es un método indirecto y su efectividad depende de precisión del equipo y los
instrumentos de medición utilizados para ello. También, dado que los materiales no se
encuentran
Guía 1 en estado puro sino aleado, existirán variaciones entre el valor medido y el
encontrado en la carta del material.
1.- Proceda a medir (con la balanza) la masa de las piezas asignadas, misma a las que
posteriormente se les medirá su volumen (usando la probeta graduada) para luego determinar
su densidad. En aquellos casos en que la geometría lo permita, mida el volumen utilizando el
calibrador vernier y fórmulas de áreas y volumen.
2.- Siga el procedimiento indicado 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. En las conclusiones, citar las referencias de donde se obtuvo la
densidad, para cada material ensayado.
Ciencia de los materiales. Guía 1
8
Parte 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 chispa
y describa el tipo de chispa generada cuando la pieza entra en contacto con la rueda
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. Resultados cálculo de densidad
No
Material
Densidad medida(Kg/m3)
Densidad
investigada(Kg/m3)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tabla 3 Resultados prueba magnética
No
1
2
3
4
5
6
Material
Magnético (si o no)
Investigación sobre magnetismo
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9
7
8
9
10
Tabla 4: Comparación de las chispas
No
Material
Descripción de la
Comparación del tipo de chispa,
chispa
número de figura
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Análisis de resultados
Presente la tabla I con el nombre del material que corresponda según lo observado
Bibliografía
durante la práctica.
Investigue sobre las normas AISI - SAE para identificación de metales ferrosos y no
Guía
1
ferrosos
Presente la designación equivalente en otras normas diferentes a la AISI, para cada uno
de los tipos de aceros presentados y cuyos ensayos de chispa son ilustrados arriba.
En las páginas web investigue las densidades de los materiales proporcionados e
inclúyalas en la tabla 2a.
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10
Tarea Complementaria
Guía
3
Haga
un resumen
sobre la clasificación de los materiales que hace la matweb, máximo 1 hoja.
Guía 4 de información
Fuentes
fía
1)
Sydney Avner. (1988) Metalurgia Física, México D.F. McGraw-Hill. 2ª edición
Guía 3
2) Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de materiales,
México. McGraw-Hill, 4a. Edición
GuíaMéxico,
4
3) Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los materiales, México,
fía
D.F. Thomson, Cuarta edición.
4) Neely, J. E., Kibbe, R.R. y García Diaz, R. (1992) Materiales y Procesos de
Manufactura. México D. F. Limusa.
5) www.steel.org/
6) www.sae.org/
7) www.astm.org/
8) www.matweb.com/
. Cuadro de rúbricas de la evaluación
Aspecto a evaluar:
Puntaje
obtenido/Puntaje
Autoevaluación
máximo
Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la
UDB, Nombre del tema, Nombres de los autores, fecha de
entrega. Todas las partes deberán ser legibles
Requisito
Objetivos
Requisito
Examen previo (individual)
30
Completar las tablas de datos con cálculos correctos
10
Tarea complementaria
10
Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web … (al
menos en 3 sitios confiables)
15
Ciencia de los materiales. Guía 1
Conclusiones: Comparación de los resultados
experimentales con lo reportado en sitios web confiables
(que se considerarán los valores teóricos), indicar si se
lograron los objetivos o no y porqué.
30
Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo
Requisito
La ortografía debe ser impecable. La redacción debe ser
clara y concisa.
5
No lleva gabacha (individual)
-
10
Cálculos erróneos (grupal)
-
10
No lleva guía de laboratorio (individual)
-
10
Forma de entrega: Por correo electrónico, identificado
como Lab1-(nombre del grupo), tipo de archivo: .doc o
.docx, solo si es muy extenso podrá enviarse en PDF, al
correo electrónico del docente (yahoo.mx). Si es impreso,
entrega personal al docente.
TOTAL
-
11
10 % por
cada día
de retraso.
T
100
El informe se entregará tres días después del laboratorio, ejemplo: si el laboratorio se efectúa el
sábado, a más tardar el martes siguiente se entregará al responsable del laboratorio. Entrega
tardía: 10 % menos cada día. Si no cumple con los requisitos se devolverá el informe, con la
condición de regresarlo el día siguiente, descontándosele 10 % por no cumplir con los
requisitos y por cada día de retraso se descontará 10 % adicional.