Tecnologia Industrial II Ensayos

1.Ensayos y Materiales.

TEMA 1 – PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Y CLASIFICACIÓN DE ENSAYOS

1. ¿Por qué ensayamos los materiales?

En ingeniería y fabricación, es imprescindible conocer cómo se comportan los materiales bajo condiciones reales de trabajo. Los ensayos permiten:

• Determinar propiedades mecánicas y físico-químicas.
• Comparar materiales entre sí.
• Verificar la calidad de producción.
• Detectar defectos internos o superficiales.
• Predecir fallos por impacto, vibración o ciclos repetidos.
• Garantizar la seguridad de estructuras, máquinas y productos.

Los ensayos son pruebas normalizadas que permiten obtener datos objetivos y fiables.

2. Propiedades de los materiales

Las propiedades determinan cómo responde un material frente a fuerzas, temperaturas, impactos o agentes químicos. Se clasifican en mecánicas y físico-químicas.

A) Propiedades Mecánicas

Cohesión

Fuerza interna que mantiene unidos los átomos. Es la base de todas las propiedades mecánicas.

Elasticidad

Capacidad de recuperar la forma original tras cesar la fuerza. Ejemplo: muelle, regla ligeramente doblada.

Plasticidad

Capacidad de deformarse permanentemente sin romperse. Ejemplo: clip metálico, plastilina.

Dureza

Resistencia a ser rayado o penetrado. Ejemplo: acero templado.

Tenacidad

Capacidad de absorber energía antes de romperse. Ejemplo: acero estructural.

Fragilidad

Propiedad opuesta a la tenacidad. Rompe sin deformarse. Ejemplo: vidrio, cerámica.

Ductilidad

Capacidad de formar hilos. Ejemplo: cobre.

Maleabilidad

Capacidad de formar láminas. Ejemplo: aluminio, oro.

Resiliencia

Capacidad de absorber energía en un impacto. Se mide con el ensayo Charpy.

Fatiga

Rotura causada por esfuerzos repetitivos, incluso inferiores a la carga máxima. Aparecen marcas de playa. Ejemplos: ejes, alas de avión, tornillos sometidos a vibración.

B) Propiedades Físico-Químicas

Densidad

Relación masa/volumen. Los materiales ligeros son ideales para transporte y envases.

Resistividad eléctrica

Resistencia específica al paso de corriente. Metales → baja resistividad → buenos conductores. Polímeros → aislantes.

Dilatación térmica

Aumento de tamaño con la temperatura. Importante en puentes, vías de tren, motores.

Punto de fusión

Temperatura a la que un material pasa de sólido a líquido. Ejemplo: aluminio ≈ 660 ºC.

3. Clasificación de los ensayos

A) Según el efecto sobre la pieza

Ensayos Destructivos (ED)

La probeta queda dañada o rota. Ejemplos: tracción, dureza, resiliencia, fatiga.

Ensayos No Destructivos (END)

No dañan la pieza. Ejemplos: rayos X, ultrasonidos, líquidos penetrantes.

B) Según la velocidad de aplicación de la fuerza

Ensayos Estáticos

Carga lenta y progresiva. Ejemplos: tracción, dureza.

Ensayos Dinámicos

Carga brusca o cíclica. Ejemplos: Charpy (impacto), fatiga (cíclico).

4. Diferencias clave

• Elasticidad → vuelve a su forma.
• Plasticidad → deformación permanente.
• Dureza → resistencia a rayado.
• Tenacidad → absorber energía.
• Ductilidad → hilos.
• Maleabilidad → láminas.
• Fragilidad → rompe sin avisar.
• Fatiga → rotura por ciclos.

5. Aplicaciones prácticas

Aluminio en latas

• Baja densidad
• Maleabilidad
• Resistencia a la corrosión

Cobre en cables

• Alta conductividad eléctrica
• Ductilidad

Vidrio

• Frágil → rompe sin deformarse

Acero

• Tenaz → se deforma antes de romperse

Ejes sometidos a vibración

• Pueden romperse por fatiga, incluso sin golpes.

6. Ensayos más importantes

Ensayo de tracción

• Estático
• Mide resistencia, elasticidad, límite elástico, módulo de Young

Ensayo de dureza

• Estático
• Brinell, Rockwell, Vickers

Ensayo Charpy

• Dinámico
• Mide resiliencia

Ensayo de fatiga

• Dinámico
• Cargas repetidas hasta rotura

Ultrasonidos (END)

• Detecta defectos internos sin romper la pieza

7. Resumen final para el alumno

• Elasticidad = vuelve a su forma
• Plasticidad = deformación permanente
• Dureza = resistencia a rayado
• Tenacidad = absorber energía
• Ductilidad = hilos
• Maleabilidad = láminas
• Fragilidad = rompe sin avisar
• Fatiga = rotura por ciclos
• Tracción = ensayo estático
• Charpy = impacto
• Ultrasonidos = defectos internos sin romper

 

Instrucciones: Responde claramente y con tus propias palabras. ✍️ La precisión técnica se evaluará estrictamente en función de los materiales proporcionados. 📚

1. La "identificación" de los materiales: El vídeo menciona que cada material tiene una "personalidad única". 🎥 Explica, usando el ejemplo del clip metálico y el jarrón de cristal, qué ocurre con su forma cuando aplicamos una fuerza sobre ellos y cómo esto define plasticidad frente a fragilidad. ⚖️

2. Seguridad en edificios: El acero es el "esqueleto" de nuestras ciudades debido a su tenacidad. 🏙️ ¿Por qué se dice que esta propiedad es "salvavidas" en comparación con un material frágil? 🛡️

3. El misterio de la fatiga: Las notas mencionan un rastro visual específico llamado "marcas de playa". 🌊 Explica qué son estas marcas, en qué tipo de falla aparecen y menciona el ejemplo de un ala de avión descrita en el vídeo. ✈️

4. Dureza vs. Tenacidad (No te confundas): Usando el ejemplo del diamante y el acero mencionados en el vídeo, explica por qué un material puede ser muy duro pero no necesariamente resistir un impacto. 💎⚒️

5. Análisis de ensayo: Imagina que tienes que analizar un texto sin romperlo. 🧐

◦ a) ¿Cómo se clasifican técnicamente estas pruebas? 📊

◦ b) Menciona la técnica específica mencionada  que utiliza ultrasonidos y qué es exactamente lo que busca detectar. 🔍

1. Ingeniería en la cocina y en la calle: Elige uno de estos dos casos y explica las dos o tres propiedades clave que justifican la elección del material según las notas y el vídeo: 🍽️🚦
   

◦ Caso A: Aluminio en latas de refresco. 🥤

◦ Caso B: Cobre en cables eléctricos. ⚡

TEST

PARTE 1: ENUNCIADOS (ENSAYO DE TRACCIÓN)

1. Barra de sección cuadrada: Una barra metálica de sección cuadrada tiene $10\text{ mm}$ de lado y $100\text{ mm}$ de longitud. Se somete a un ensayo de tracción y resulta un incremento de longitud de $0,2\text{ mm}$ para una fuerza de $200.000\text{ N}$. Calcula el esfuerzo aplicado ($\sigma$), la deformación producida ($ϵ$) y el módulo de Young ($E$).

2. Diseño de diámetro mínimo: Una barra de acero de $350\text{ mm}$ de largo debe soportar una carga de $4.444\text{ kg}$. Si el alargamiento máximo permitido es de $0,55\text{ mm}$ y el módulo de elasticidad es $21.000{\text{ kg/mm}}^2$, calcula el diámetro mínimo necesario.

3. Varilla de latón y límite elástico: Un latón tiene un módulo de elasticidad de $120{\text{ GN/m}}^2$ y un límite elástico de $250\cdot 10^6{\text{ N/m}}^2$. Una varilla de este material de $10{\text{ mm}}^2$ de sección y $100\text{ cm}$ de longitud soporta una carga de $1.500\text{ N}$. Determina si recuperará su forma original al quitar la carga y cuál es su alargamiento unitario.

4. Comparativa Acero vs. Aluminio: Se tienen dos probetas de sección circular de $2\text{ cm}$ de radio y $20\text{ cm}$ de longitud. El acero tiene $E=2\cdot 10^7{\text{ N/cm}}^2$ y ${\sigma }_e=20.000{\text{ N/cm}}^2$. El aluminio tiene $E=7\cdot 10^6{\text{ N/cm}}^2$ y ${\sigma }_e=15.000{\text{ N/cm}}^2$. Calcula la fuerza con que alcanzarán el límite elástico y los alargamientos con una fuerza de $10.000\text{ N}$.

5. Probeta normalizada circular: Una probeta de tracción normalizada tiene una distancia entre puntos de marca de $100\text{ mm}$. Cuando se aplica una fuerza de $15.000\text{ N}$, los puntos se separan hasta $10,3\text{ cm}$. Si el diámetro es de $13,8\text{ mm}$, calcula la deformación y el módulo elástico.

6. Barra cilíndrica de acero: Una barra de $300\text{ mm}$ de longitud y $45\text{ mm}$ de diámetro recibe una fuerza de $111,33\text{ kN}$. Sabiendo que $E=20,6\cdot 10^4\text{ MPa}$, calcula el alargamiento y la longitud total cargada.

7. Pieza escalonada (Secciones variables): Una pieza de acero tiene dos secciones circulares: $D_1=40\text{ mm}$ y $D_2=20\text{ mm}$. ${\sigma }_e=6.200{\text{ kgf/cm}}^2$, $E=2,1\cdot 10^6{\text{ kgf/cm}}^2$. Calcula la fuerza máxima con un coeficiente de seguridad $n=4$ y el alargamiento total.

8. Análisis de datos de laboratorio: En un ensayo con probeta de $15\text{ mm}$ de diámetro y $l_0=150\text{ mm}$, se obtienen varios datos (Tensión vs. Longitud). Calcula el módulo de elasticidad, el coeficiente de estricción (si el diámetro de ruptura es $14,3\text{ mm}$) y el alargamiento unitario de rotura.

9. Barra de aluminio (Sección cuadrada): Una barra de aluminio de $200\text{ mm}$ de longitud y sección de $10\text{ mm}$ de lado se somete a $12.300\text{ N}$ y se alarga $0,34\text{ mm}$. Calcula el módulo de elasticidad.

10. Límite de rotura y seguridad: Una probeta de sección cuadrada de $2,5\text{ cm}$ de lado se deforma elásticamente hasta $12.000\text{ N}$ y rompe a $16.000\text{ N}$. Calcula la tensión límite elástica y la tensión máxima de trabajo con un coeficiente de seguridad de 2.

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PARTE 2: SOLUCIONES (ENSAYO DE TRACCIÓN)

1. Solución Barra cuadrada:

    ◦ Sección ($S_0$): $0,01\text{ m}\cdot 0,01\text{ m}=10^{-4}{\text{ m}}^2$.

    ◦ Tensión ($\sigma$): $F/S_0=200.000/10^{-4}=2\cdot 10^9{\text{ N/m}}^2$.

    ◦ Deformación ($ϵ$): $\Delta l/l_0=0,2/100=2\cdot 10^{-3}$.

    ◦ Módulo Young ($E$): $\sigma /ϵ=1\cdot 10^{12}{\text{ N/m}}^2$.

2. Solución Diámetro mínimo:

    ◦ $ϵ=0,55/350=1,57\cdot 10^{-3}$.

    ◦ $\sigma =E\cdot ϵ=21.000\cdot 1,57\cdot 10^{-3}=33{\text{ kg/mm}}^2$.

    ◦ Área $=F/\sigma =4.444/33=134,6{\text{ mm}}^2$.

    ◦ Diámetro: $\sqrt{4\cdot A/\pi }\approx 13,1\text{ mm}$.

3. Solución Varilla latón:

    ◦ $\sigma =1.500/10^{-5}{\text{ m}}^2=150\text{ MPa}$. Como $150<250$ (límite), recuperará su forma.

    ◦ $ϵ$: $\sigma /E=150\cdot 10^6/120\cdot 10^9=0,00125$.

4. Solución Acero vs. Aluminio:

    ◦ Área $=\pi \cdot 2^2=12,566{\text{ cm}}^2$.

    ◦ $F_{el\acute{a}stica}(Acero)=20.000\cdot 12,566=251.327\text{ N}$.

    ◦ $F_{el\acute{a}stica}(Alu)=15.000\cdot 12,566=188.495\text{ N}$.

    ◦ $\Delta l(Acero)=7,96\cdot 10^{-4}\text{ cm}$; $\Delta l(Alu)=2,27\cdot 10^{-3}\text{ cm}$.

5. Solución Probeta normalizada:

    ◦ $ϵ=(103-100)/100=0,03$ (o $3\%$).

    ◦ $S_0=149,57{\text{ mm}}^2$.

    ◦ $\sigma =15.000/149,57=100,28\text{ MPa}$.

    ◦ $E$: $\sigma /ϵ=3.342,66\text{ MPa}$.

6. Solución Barra cilíndrica ($45\text{ mm}$):

    ◦ $\sigma =111.330/(\pi \cdot 22,5^2)\approx 70\text{ MPa}$.

    ◦ $ϵ=\sigma /E=70\cdot 10^6/20,6\cdot 10^{10}=3,4\cdot 10^{-4}\text{ m}$.

    ◦ Longitud final: $0,3+3,4\cdot 10^{-4}=0,30034\text{ m}$.

7. Solución Pieza escalonada:

    ◦ ${\sigma }_{adm}=6.200/4=1.550{\text{ kgf/cm}}^2$.

    ◦ $F_{max}$: Se calcula en $S_2$ ($3,14{\text{ cm}}^2$): $1.550\cdot 3,14=4.867\text{ kgf}$.

    ◦ $\Delta l_{total}$: Suma de ambos tramos $=0,42\text{ mm}$.

8. Solución Datos laboratorio ($15\text{ mm}$):

    ◦ $E=500/(0,01/150)=7,5\cdot 10^6{\text{ kp/cm}}^2$.

    ◦ $Z$: $(15^2-14,3^2)/15^2=0,091=9,1\%$.

    ◦ ${ϵ}_r$: $(153,28-150)/150=0,0218$.

9. Solución Aluminio ($10\text{ mm}$):

    ◦ $\sigma =12.300/100=123\text{ MPa}$.

    ◦ $E=123/(0,34/200)=72.352,9\text{ MPa}$.

10. Solución Seguridad:

    ◦ ${\sigma }_e=12.000/(2,5^2)=1.920{\text{ N/cm}}^2$.

    ◦ ${\sigma }_R=16.000/(2,5^2)=2.560{\text{ N/cm}}^2$.

    ◦ ${\sigma }_{trabajo}$: ${\sigma }_R/2=1.280{\text{ N/cm}}^2$.

El ensayo de tracción es como llevar a un atleta a una prueba de esfuerzo: medimos cuánto puede "estirarse" antes de que sus fibras se dañen permanentemente (límite elástico) y cuánto aguanta antes de "romperse" por completo (rotura) [Analogía basada en 103, 104, 650].

TECNOLOGÍA INDUSTRIAL – 2º BACHILLERATO


TEMA 1 – ALEACIONES.DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO.

Los diagramas de fases o de equilibrio resultan muy útiles para expresar de forma gráfica toda la información sobre la estructura de las fases de una aleación. En los siguientes enlaces intentaremos comprender la información que contienen:

Del excelente libro digital, "Problemas y cuestiones de Tecnología Industrial -Selectividad de Andalucía" creado por Antonio Domínguez Guedeja-Marrón, José Jiménez Ramírez y Alfredo Sánchez Bautista, dedicado a la asignatura de Tecnología Industrial II entresacamos los siguientes documentos pdf, referido a este tema:

• Teoría.
• Cuestiones.
• Problemas.

Diagrama de equilibrio Fe-C, interesante documento pdf de la web del departamento de tecnología del IES Sierra Mágina:

• Diagrama Fe-C en detalle.
• Análisis de las transformaciones estructurales de los aceros a distintos % de carbono.
• Las fundiciones en el diagrama Fe-C.

Diagramas de fases, este archivo de un "Open Course Ware" de la "Universidad Carlos III". Trata los siguientes temas:

Información que proporcionan.

Conceptos generales.

Regla de las fases de Gibbs.

Diagramas de fases: sustancias puras, sistemas binarios, sistemas ternarios.

Regla de la palanca: fracción en peso.

Diagramas binarios: clasificación dependiendo de la solubilidad.

Diagrama binario con solubilidad total. Estudio del caso de Cu-Ni.

Diagrama eutéctico con insolubidad total.

Diagrama eutéctico con solubilidad parcial. Estudio de casos: Cu-Ag, Pb-Sn.

Enlace de Googlelibros al libro "Ciencia e ingeniería de los materiales" de Donald R. Askeland, al capítulo 9 - Soluciones sólidas y equilibrio de fases. Muy buenas explicaciones, ejercicios de ejemplo resueltos y unos magníficos gráficos. Para profundizar.

• Diagrama eutéctico con solubilidad parcial. Estudio de casos: Pb-Sn.

Gráfico del diagrama Fe-Fe3C con todas las microestructuras que ocurren en las diferentes fases. También con un resumen de las diferentes redes atómicas así como las propiedades mecánicas de las diferentes microestructuras. Del Grupo de Estudios sobre Fractura de Materiales Willy Ank de Morais, gráfico recopilado por la web de mtrología y ensayos http://metrologia.ensayos.googlepages.com/. Útil. En portugués.