Propiedades Mecánicas - Dureza

 Hola Amigos bienvenidos de nuevo, cuando hablamos de propiedades mecánicas estamos partiendo del hecho de que un metal o una aleación debe cumplir una aplicación para lo cual fue diseñado. Por ejemplo, si queremos diseñar un vehículo espacial para enviar carga al espacio, no se utilizarían materiales muy densos porque eso afectaría el consumo de combustible durante el lanzamiento, se necesitaría un material que sea resistente y a la vez liviano.

Aquí es donde las cosas se ponen interesante y usted como estudiante puede llegar a preguntarse como las propiedades mecánicas de los materiales me ayudan con el diseño de mis piezas. Vamos a partir de un metal (M) del cual sabemos que pertenece a un grupo de la tabla periodica, que tiene una densidad, un punto de fusión o ebullición, que tiene la capacidad de conducir electricidad y calor todas esas cosas que se ha mencionado en los otros artículos, además esta conformado por átomos y estos se ordenan en una estructura cristalina.

¿Que és una estructura cristalina? 

Para entender las propiedades mecánicas, se debe entender las estructura cristalinas que es la manera en que los átomos se ordenan tridimensionalmente; a manera de resumen las estructuras cristalinas conocidas son la cúbica, la hexagonal, la monoclinica, la ortorrombica, tetragonal, triclinica y rombohedríca. La mayoria de los metales y aleaciones que nos intersan cristalizan en el sistema cúbico y a su vez su ordenamiento atómico puede ser de tipo cubico centrado en el cuerpo (BCC) ó cúbico centrado en las caras (FCC), luego viene un aspecto interesante, los metales pueden formar aleaciones pero nosotros como metalúrgicos debemos encontrar el punto exacto en la cual las aleaciones que formemos puedan tener las propiedades deseadas y esto estimados amigos da mucho material para hablar y en futuros artículos lo analizaremos

¿Como mido las propiedades de un material?

Aquí llegamos al punto en donde ustedes deben aprender las herramientas de evaluación de los materiales y a manera de resumen les contaré como pueden ustedes sacar el mayor provecho a los ensayos. Primero que nada deben entender que los ensayos mecánicos estan estandarizados de tal manera que, las pruebas que realicen se rijen bajo una normativa, en este lado del mundo en America nos guíamos por las normas ASTM, en Europa tienen sus normas aplicadas que no difieren mucho de su par americano, esto tiene la finalidad de que todos hablemos el mismo idioma a nivel de ensayos.

El primer ensayo del cual hablaré es el de dureza, en un ensayo rápido y puede dar una idea aproximada de la resistencia de un material, entrelos tipos de ensayos tenemos:

1. Ensayo Rockwell

2. Ensayo Brinell

3. Ensayo Vickers

4. Dureza Knoop

El primero es el favorito de muchos ya que usted coloca la pieza a analizar aplica la carga y el numero que de el equipo representa la dureza, lo importante aquí es establecer que carga se va a aplicar y que identador va a utilizar, en el ensayo Rockwell se puede utilizar identadores con bolas de acero de diferentes diametros 1/16, 1/8 y cargas de 60, 100 y 150 Kg. Si se usa 60Kg se tiene una dureza Rockwell A (RA), para 100 Kg seria (RB) y 150 (RC). Ahora viene lo interesante y sería mi pregunta para ustedes como por ejemplo ¿Recibo un material y no conozco su resistencia, que escala escojo?

Aquí juega mucho la experiencia pero como ustedes estan en esa etapa de formación vamos a darles unos tips, quizas en los cometarios pueden aparecer mas ideas de como evaluar la dureza de un material correctamente, bien lo primero es ver el estado de la pieza, ¿Plana, circular, gruesa, delgada, deformada, cilindrica, esta oxidada, origen de la pieza, tiene o no tratamiento térmico? Si la pieza es plana no debe moverse durante la aplicación de la carga, porque el resultado será erroneo, por ejemplo recibo una pieza plana pero al colocarla en la base del equipo esta tiembla cuando la aprisiono con un dedo, en este caso, se desbasta la pieza en lija gruesa y se vuelve a colocar en la base, si esta no tiembla y se ve plana totalmente entonces se la aplica la carga.

Si la pieza es esférica se debe colocar en el adaptador y desbastar la parte que se desee medir con esto se elimina la capa de óxido superficial que puede dar resultados erroneos.

¿Que carga aplicar? Aquí tambien influye mucho la experiencia, una idea es que si se le realizó una evaluación microestructural puedes tener una idea de la microestructura y de ahi seleccionar la carga, por ejemplo un acero llega y el analisis indica que su microestructura es martensita (muy dura) puedes entonces seleccionar la escala RC, un identador de diamante y la carga maxima de 150 Kg

En el caso de que no tengas esa evaluación se debe aplicar la carga máxima y evaluar la huella que deja en la superficie y compararla con el patron de calibración, por ejemplo tengo una pieza no conozco su microestructura y aplico la carga máxima con el identador de diamante y al ver la huella resulta que parece un crater de impacto de asteroideses muy grande en comparación con la huella que muestra el patron de calibración, en ese caso bajo la escala y cambio el identador por una bola de acero y la carga a 100 Kg si la huella coincide entonces el valor obtenido es el correcto (Valor obtenido es el promedio de 3 a 5 mediciones sobre la pieza a una distancia entre marcas de 2 huellas)

En algunas ocasiones los datos deben ser dados en escala Brinell, a diferencia del Rockwell en Brinell se mide la huella dejada por el identador en la superficie usando un microscopio con escala adaptada de tal manera que al conocer el diámetro de la huella, más el diámetro de la bola de acero empleada y la carga aplicada (Kg) se aplica una fórmula la cual le dará el número de dureza Brinell

Para realizar mediciones de dureza con materiales que no son muy resistentes, o que tienen un espesor muy delgado, para tratamientos superficiales se utiliza el ensayo Vickers, aqui se mide la huella marcada por un identador en forma de pirámide con base cuadrada de 136° que se somete a cargas que van desde 1 Kg hasta 120 Kg. Una vez medida la huella con un microscopio se procede a calcular la dureza utilizando la fórmula establecida

Por último, tenemos microdureza y como su nombre lo indica se mide la dureza a nivel microscópico digamos tenemos un material compuesto y se desea medir una fase específica este tipo de ensayo permite determinarla, la dureza Knoop aplica cargas desde 1 a 1000 gr 

Para terminar este post, lo importante para ustedes como estudiantes de esta área es que el ensayo de dureza estima la capacidad de resistencia de un material cuando se somete a una carga, la respuesta del material te puede ayudar a conocer su resistencia sin embargo, no es un ensayo 100% definitivo, ya que la información suministrada te da una referencia, si queremos profundizar en un ensayo mas completo debemos  utilizar otros equipos 

En el próximo artículo hablaré del ensayo de tracción 

Saludos

¿Que es un metal?

 Buenas tardes muchachos espero que esten super bien, cuando ejercí la docencia tuve que dar una materia llamada ciencia de los materiales, recuerdo que en el programa se debía hablar de los metales y las aleaciones, mi primera acción fue invitarlos a sacar una hoja y que escribieran que era un metal para ellos. Hubo muchas respuestas de las que recuerdo estaban acero, aluminio, que es un sólido (el mercurio es metal y es líquido a temperatura ambiente), cuando terminé la prueba y leí las respuestas de todos mis alumnos les dije que tenian una idea de lo que era un metal pero no su definición así que entre todos definimos lo que era un metal y pueden haber muchas definiciones según la bibliografía consultada pero a grandes rasgos un metal es un cuerpo tridimensional, que es opaco y brilla cuando se pule, que posee una estructura cristalina y lo más importante es un conductor térmico y eléctrico, tambien posee un punto de fusión definido. 

Ahora bien, en la clase pasada hablamos de la importancia de los metales en la historia de la humanidad, su impacto en las economias globales y su valor estratégico, ya pueden definir que es un metal y ahora viene lo más importante conocer sus propiedades y sus aplicaciones.

Pero ¿Como se forman los metales? ¿De donde vienen?¿Que cantidad hay en la tierra?

Partamos del elemento más simple en el universo, el Hidrógeno, este es el primer elemento atómico y como abunda en el universo a medida que se van formando estrellas comienza una serie de reacciones nucleares dentro de ellas y es ahi donde 4 átomos de H2 se convierten  en uno de Helio (2 elemento de la tabla periodica), despues de ello las reacciones continuan y se van creando elementos mas pesados, hasta la aparición del Fe y es ahí cuando las estrellas comienzan a colapsar y una vez que desaparecen ya sea como supernovas o incrementando su tamaño para apagarse lentamentes, su colapso genera más elementos pesados, la gravedad hace su trabajo y durante millones de años, mientras los planetas se forman y alcanzan su estabilidad estos elementos quedan atrapados en diferentes capas dentro del mismo planeta, unos quizas en el nucleo por su peso y otros en la superficie, en el caso de la tierra algunos de etos elementos brotan a la superficie por medio de los volcanes o a travez de procesos complejos geológicos.

Luego llegamos nosotros los seres humanos y empezamos con su explotación, refinación y elaborar herramientas.

En este pequeño resumen quiero inculcarles la importancia de conocer lo que representa un metal en nuestra vida sobretodo que eres estudiante de metalurgia y/o ciencia de los materiales, cual es el origen de ellos y sus propiedades, para el próximo artículo entraremos en el tema de las propiedades mecánicas de los materiales 

Metalurgia y Civilización

 Cuando un estudiante inicia su carrera en el campo de la metalurgia debe entender que la historia humana ha estado sumamente relacionada con el manejo de los metales. Para llevarlo a contexto las civilizaciones prehistóricas empleaban la piedra como herramienta de trabajo, para la caza y como arma de defensa o ataque.

Con el uso del cobre, los seres humanos dieron un salto abismal pasando de la edad de piedra hasta los metales, fijense que grandes imperios se alzaron en zonas donde el metal de cobre era abundante, pero el cobre en si en sus propiedades es un metal maleable y tiene sus limitaciones. En algún punto de la historia el ser humano mezcló este metal con otro llamado estaño y de ahi, surgió una aleación denominada bronce y cuyas propiedades de resistencia superaban al propio cobre y al estaño.

Si hacemos una pausa y analizamos el impacto de los metales en la aparición de los imperios, podran notar que reinos en todo el mundo florecieron en zonas mineras, un ejemplo lo pueden decir los amigos peruanos ya que tuvieron el imperio Inca que estaba ubicado en zonas de mineria de Cobre.

Aquí estimado estudiante usted puede imaginarse que los metales son herramientas muy valiosas para los pueblos y usted no solo debe entender sus propiedades y aplicaciones, debe entender el impacto que tienen en la economía y en la sociedad. Actualmente, se puede consultar los precios de los metales como por ejemplo, el Oro en Kitco.com o en la bolsa de valores por ejemplo London metal Exchange que cotiza el precio de las materias primas.

En este curso, ustedes van a comprender que la metalurgia y la ciencia de los materiales van más allá de conocer solo las propiedades de un metal y como realizar mejoras para un fin específico, usted como estudiante debe entender que  hay un horizonte que involucra mercados financieros, impacto social y cultural, politica global e impacto ambiental. 

Para un estudiante que mire este post y sea de un pais minero, ¿Que impacto ha tenido la mineria en el desarrollo de su país? Peru y Chile con la mineria de Cobre, Bolivia con la mineria de Litio, Venezuela con la mineria de Hierro y podemos mencionar muchos países más.

 La metalurgia no solo es conocer los metales, sus propiedades y aplicaciones ustedes deben entender el impacto que ha tenido el uso de los metales en la civilización en el pasado y su influencia en el presente, no solo comercial sino tambien a nivel estratégico, un ejemplo sencillo se puede ver en un pais cuya economia florece y se puede apreciar por el nivel de construcción de obras y en el consumo de acero y eso impacta en el precio del metal y en el precio del mineral de Hierro.

Por el lado de la ciencia de los materiales se puede ver como el impacto ambiental está requiriendo nuevos materiales amigables con el medio ambiente y el desafío esta estimados estudiantes en crear  una linea de investigación que busque desarrollar productos biodegrabables o reciclables.

Les deseo un exito en esta carrera que han escogido la cual es muy hermosa y con milenios de historia y desarrollo, ya ustedes comprenden que los metales y sus aleaciones han sido parte de la humanidad no solo en el pasado sino tambien el ahora. En el proximo tema hablaremos de los metales y sus propiedades.

Hasta la próxima

Sobre el autor

Fernando Medina es un ingeniero metalúrgico egresado de la Unexpo vice rectorado Puerto Ordaz en Venezuela, con 20 años de experiencia en investigación y docencia universitaria trabajó como investigador de fallas en el centro de corrosión y biomateriales de la Unexpo, como analista e investigador en el centro de soldadura y ensayos mecánicos en la misma  universidad. Fue profesor asistente del IUTPC Puerto Cabello y autor de dos libros en Amazon relacionados con análisis microestructural y análisis de falla.

Análisis de Falla.

 Los análisis de fallas se realizan cuando se desea conocer las razones por las cuales un material, equipo, estructura, sistema deja de realizar las funciones para lo cual fue diseñado. La falla puede ser o no catastrófica, esto quiere decir que puede ser detectada y resuelta antes de que ocurra el evento sin embargo, cuando es catastrófica pueden ocurrir diferentes situaciones que van desde victimas del accidente hasta pérdida de prestigio de una empresa y esto último es lo que muchas corporaciones deben cuidarse.

En mi experiencia con este tipo de situaciones he visto casos interesantes de falla en la industria petrolera, en implantes médicos, en la industria eléctrica y en la minería. Una de las cosas más interesantes en este campo es que el trabajo en equipo es vital, conocer los estandares de la industria y la comunicación es fundamental para llevar a cabo con éxito la investigación.

A mis alumnos les recordaba en la universidad, que iban a salir de ese curso como jefes de equipos de análisis de falla y más alla del aporte técnico debian aprender el aporte comunicacional y social de tal manera que, la investigación no solo resuelva un caso de falla sino que tambien pueda crear conciencia de la importancia de tener analistas de fallas en las empresas.

Acero Perlítico

 Hola amigos un saludo y bienvenidos de nuevo aquí, les dejo una hermosa imagen de un acero perlítico que es uno de los aceros a nivel microestructural mas resistente y que separa a los aceros hipoeutectoide de los aceros hipereutectoide. El contenido aproximado de carbono de este acero es variado y en algunas fuentes pueden dar valores de 0.8 %C un poco más o menos pero eso queda a criterio de la fuente consultada.