UNIVERSIDAD UNIVERSID AD NACIONAL DE TRUJILLO DE INGENIERÍA LABORATORIO DE MATERIALES CERAMICOS Ingeniera de Materia!e"
FACULTAD ACULTAD Departamento de
Índice RESUMEN..................... ................................ ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ....................... ............. 2
I.
II.
............................... ..................... ..................... ................................................. ....................................... 2 OBJETIVOS.....................
III.
............................... ..................... ........................................2 ..............................2 FUNDAMENTO TE TEORICO....................
3.1.
............................... ..................... ..................... ..................... .................................... ......................... 2 Introducción......................
3.2.
Ens!os d" Dur"#$.................... ............................... ..................... ..................... ..................... ............................ ..................3 3
3.3.
................................ ..................... ..................... ..................... ............................... ..................... 4 Ti%os d" "n "ns!o$.....................
3.&. .&.
................................ ..................... ..................... ................................6 .....................6 T"ncid cid d ' ' (r (rct ctu ur$ r$..................... E)UI E)UI*O *OS S MATE MATERI RIA+ A+ES ES E INST INSTRU RUME MENT NTOS OS............................................8
IV. IV.
*ROC *ROCEDI EDIMI MIENT ENTO O E,*ER E,*ERIM IMENT ENTA A+..................... ............................... ..................... ............................9 .................9
V.
RESU+ RESU+T TADOS DOS - DISCU DISCUSIO SION N DE DE RESU RESU+ +TADOS DOS.......................................10
VI.
............................... ..................... ..................... ...................... ..................... ...................... ............10 10 #$%$ $%$ Re"&! "&!tad tado"....................
#$'$ #$'$ DISCU DISCUSIO SION N DE RESUL RESULT TADOS ADOS.......................................................11 CONC CONC+U +USI SION ONES ES - RECOM RECOMEN ENDA DACI CION ONES ES.................... ............................... ..........................11 ...............11
VII. VII.
VIII.
I,.
,.
................................ ..................... ..................... ...................... ............................12 .................12 BIB+IORAFIA..................... ................................ ..................... ..................... ................................................ ..................................... 12 +OSARIO.....................
ANE,OS...................... ................................ ..................... ..................... ...................................................... ............................................ 14
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FACULTAD Departamento de
DURE/A VIC0ERS ! TENACIDAD A +A FRACTURA DE UN VIDRIO
I.
RESUMEN
La medición de la tenacidad a la fractura y la dureza Vickers en materiales frágiles, mediante los métodos convencionales, es altamente preciso. En este laboratorio se a realizado la descripción de este método para la obtención del valor de la tenacidad a la fractura y el valor de la dureza Vickers, utilizando una má!uina de dureza "#$E%E&, con un identador de diamante de forma piramidal, para allar los valores mencionados de una probeta de vidrio, constituyendo as' una comprensión del comportamiento del material ante situaciones similares. II.
OBJETIVOS
(.). Entender la importancia de realizar pruebas de dureza Vickers y tenacidad a la fractura (.(. *btener el valor de la dureza Vickers de un material cerámico, ba+o la norma -% E /(.0(123 (.3. $eterminar la tenacidad a la fractura 45 ic6 de un material cerámico, utilizando el método de identacion de dureza Vickers (.7. $eterminar por escala comparativa de grados de dureza una estimación de la resistencia a la tracción. III.
FUNDAMENTO TEORICO 3.1.
Introducción.
Los materiales cerámicos presentan propiedades de gran interés en diversas aplicaciones de ingenier'a, en especial por su alta dureza, resistencia al creep y rigidez. -in embargo su alta fragilidad a limitado su uso, una de las propiedades !ue la caracteriza es la tenacidad a la fractura 45 "&6 la cual se eval8a a través de métodos normalizados como el -E9: 4-% estándar & ));),
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las mediciones necesarias en el ensayo. pesar de esto y de !ue el método no a sido normalizado, sigue siendo utilizado dada su relativa facilidad de aplicación 3.2.
Ens!os d" Dur"#$
La clasificación de los métodos de dureza de acuerdo al procedimiento empleado para su realización se divide en tres importantes grupos1 i.
E' todo %or %"n"trción está
basado en la aplicación de una carga
estática sobre la superficie de un material para provocarle una deformación permanente conocida como indentación o uella, la cual presenta una profundidad !ue está en relación inversa al n8mero de dureza del material ensayado. $ureza a la penetración1 >esistencia !ue opone un material a de+arse penetrar por otro más duro. E+emplos de ensayos1 ?:#, ?> 4?>, ?>:, ?>&, ?>$, etc.6, ?V, etc. ii.
E' todo d" dur"# %or r"ot" o "'4stico,
&onsiste en de+ar caer una
erramienta con carga y altura definida sobre la superficie del material a ensayar, de tal forma !ue al cocar con dica superficie se provo!ue un rebote de la erramienta, cuya altura está directamente relacionada con la dureza elástica del material. Dur"# E'4stic$
>eacción elástica del material cuando se de+a caer sobre él un cuerpo más duro.
Dur"# *"ndu'r$
>esistencia !ue opone un material a !ue oscile un péndulo sobre él.
Dur"# ' r!do$
>esistencia !ue opone un material a de+arse rayar por otro. E+emplos de ensayos1 $ureza os 4mineralógica6, $ureza Lima, $ureza artens, $ureza %urner.
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3.3.
i.
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Ti%os d" "ns!o$
Ens!o rin"''$
Fig Nº1 Identadores del Ensayo Brinell
Este ensayo se utiliza en materiales blandos 4de ba+a dureza6 y muestras delgadas. El identador o penetrador usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros. 9ara los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. Este ensayo sólo es válido para valores menores de ;22 ?: en el caso de utilizar la bola de acero, pues para valores superiores la bola se deforma y el ensayo no es válido. -e pasa entonces al ensayo de dureza Vickers.
ii.
Ens!o Roc56"''$ A7 C7 D 89RA7 9RC7 9RD:
La dureza >ock@ell o ensayo de dureza >ock@ell es un método para determinar la dureza, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de
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dureza >ock@ell constituye el método más usado para medir la dureza debido a !ue es muy simple de llevar a cabo y no re!uiere conocimientos especiales. -e pueden utilizar diferentes escalas !ue provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar prácticamente cual!uier metal o aleación.
Fig Nº2 Identadores del Ensayo Rockell
iii.
Ens!o Vic5"rs$
El ensayo de dureza Vickers, llamado el ensayo universal, es un método para medir la dureza de los materiales. -us cargas van de A a )(A kilopondios 4de cinco en cinco6. -u penetrador es una pirámide de diamante con un ángulo base de )3;B. La determinación de la dureza Vickers es similar a la :rinell ya !ue se obtiene del cociente de la carga aplicada por la superficie de la impronta. -in embargo en este caso se utiliza una carga pe!ueCa y el penetrador es un diamante en forma de pirámide $e esta manera el valor de dureza Vickers resulta1
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Fig Nº3 !artes de la Identacion del Ensayo "ickers
Coincid"nci Vic5"rs ; Brin"''
El ángulo del penetrador Vickers se adopta de tal manera !ue los n8meros Vickers coincidan con los :rinell. 9ara relacionar el método Vickers con el :rinell es necesario considerar la condición de seme+anza y los l'mites a partir de los cuales la bolilla no eDperimenta deformaciones y se obtienen impresiones n'tidas. $e esta manera resulta una impronta en el !ue las tangentes a la bola forman un ángulo de )3;, !ue resulta el ángulo adoptado para la construcción del penetrador piramidal. -in embargo la coincidencia entre los valores de dureza !ue arro+an ambos métodos solo se cumple asta aproDimadamente 3A2 unidades como se ve en tabla /. Esto se debe a !ue para valores mayores la deformación !ue sufre la bolilla utilizada en el ensayo :rinell modifica en parte el valor de dureza obtenido. $e a!u' se desprende !ue el ensayo Vickers es más eDacto, debido a la menor deformación del penetrador, para durezas !ue sobrepasan los A22 :rinell.
3.&.
T"ncidd ' (rctur$
La medición de la tenacidad a la fractura 5 "c, en materiales frágiles, mediante métodos convencionales es bastante dispendiosa. EDiste un método alternativo referido en la literatura como fractura por indentación 4"=6. Las ecuaciones derivadas de este método se fundamentan en la mecánica de la fractura elástica lineal y en el contacto de cuerpos elastoplásticos. El étodo "= re!uiere del conocimiento del valor de la dureza. La medida de esta propiedad en estos materiales está regulada por normas 4-% estándar &)3(F//6 lo !ue la ace !ue los resultados obtenidos sean más confiables.
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$e acuerdo a la mecánica lineal de la fractura
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K IC =Y σ f C
$ebido a su enlace los materiales cerámicos presentan una muy ba+a tenacidad a la fractura. ateriales como -i 3 #7 y -i& presentan valores cercanos a 3 9a m )G(, dentro de los cerámicos la zirconia Hr* ( es el más tenaz, alcanza valores de asta )( 9a m )G( La tenacidad aumenta con1 • • •
La relación de aspecto. El tamaCo de grano. La cantidad de fase intergranular.
En resumen, el método de identación de dureza
Vickers toma la siguiente formula
general, en función del valor de dureza Vickers 4la cual se usará en la presente práctica61 c Kic =0.15 ∗( HV ∗ √ a )( ) a
$ónde1 9< I
)0A7J9Gd( en K9a o #Gm(
* I &arga de identador en #. d I (a I Longitud de
uella indentada.
cI media longitud de la grieta
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Fig&ra N( )$ #on$g%raci&n de %na indentaci&n "ickers en %n 'aterial (r)gil. *rri+a se '%estran las grietas ti,o 'edio centa-o en l/nea ,%nteada y la i',resi&n de la ,ir)'ide l/nea contin%a. *+ao la -ista s%,erior de la con$g%raci&n con la notaci&n necesaria # longit%d de la grieta 2a diagonal de la indentaci&n
IV.
E)UI*OS MATERIA+ES E INSTRUMENTOS
9ara este laboratorio utilizamos los siguientes materiales, instrumentos y erramientas1 &.1.
Mt"ri'"s •
9robetas de material &erámico4Vidrio6
Fig Nº 5%estra de "idrio a ensayar &.2. E=ui%os$ •
á!uina de $ureza niversal "ndentec
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Fig Nº6 %ro'etro 'arca Indentec V.
*ROCEDIMIENTO E,*ERIMENTA+
>.1.
9reparar adecuadamente las probetas cerámicas, de tal forma !ue estas tengan una determinada superficie lisa para empezar con el
ensayo. >.2. &olocar adecuadamente la muestra a ensayar sobre la plataforma del e!uipo y elegir un punto arbitrario al cual se realizara la indentación. >.3. Elevar la plataforma de forma manual, asta !ue la probeta to!ue al indentador. >.&. -e seleccionó la carga, una de A 5g.f, ya !ue se aconse+a emplear cargas pe!ueCas para este tipo de material. -e presionó el pulsador de aplicación de carga.
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-e enfocó la uella de la identación y con el durómetro, se
>.>.
analizaron las longitudes de las diagonales de la ruptura. >.?. =inalmente apareció en la pantalla táctil del durómetro el valor del valor de las diagonales correspondientes a la muestra analizada, se anotaron todos los valores !ue nos proyectó el e!uipo para poder procesarlas adelante.
VI.
RESU+TADOS - DISCUSION DE RESU+TADOS
#$%$
Re"&!tado"
7a+la de los ,ar)'etros %e 'ostro el d%r&'etro y de las o,eraciones ,ara el " y : ic
i'ensiones 5%es tra
1
#reci'iento ;rieta
iagonales
*nc =o
*lt% ra
2a1
30 c'
c '
2c '
03 60
2a2
2 a´
2c1
03 08
03 34
08
Ta*!a N(% atos %e arroo el %ro'etro.
2c2
2 c´
"
: ic
090 80
088 1>
32 83
4 1>
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La &arga aplicada en la identación 496 fue1 9I A 5g.f •
Las edidas de las diagonales encontradas en el ensayo1 2a1Id)I 0360 2a2 Id(I 0308
•
edida del MdN promedio1 d pI 0334
•
?allamos el valor de la dureza con la fórmula1 VH =
1 . 854 P
d
2
$onde1 91 9otencia aplicada al material durante el ensayo. d1 9romedio de las diagonales de la uella de+ada en el material. V?1 Valor de la dureza en la escala V?A. 0,5334 ¿ ¿ ¿ VH =
1 . 854 ( 5 ) ¿
V9@ 327>3 9V>
El valor allado por este de ensayo fue1 327>3 9V> Las medidas de las longitudes de las fisuras resultantes en la identación1 2C1@ 08 2C2@ 09080
?allando el valor de la tenacidad a la fractura 45 "&61 K IC =0.015 ( HV √ a )
❑ c
a
K IC =0.015 ( 32,583 √ 0,2667 )
0,4408 0,2667
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K IC =4,17
$onde1
#$'$
5 "&1 %enacidad a la fractura. ?V1 $ureza definida como carga aplicada sobre área proyectada. 91 &arga aplicada. &1 Longitud de la fisura.
DISCUSION DE RESULTADOS •
El contraste entre la dureza allada por cálculos desarrollados en el proceso matemático, puede diferir del valor real, a casusa de !ue estos no son eDactos por nimiedades en el ensayo. La tenacidad a la fractura !ue se desarrolló en los cálculos fue de 4,17
VII.
CONC+USIONES - RECOMENDACIONES .1. CONC+USIONES
-e logró determinar la dureza Vickers en una muestra de vidrio ba+o la •
norma -% E/(.0(.23 -e logró determinar también la tenacidad a la fractura de la muestra de vidrio mediante los datos antes establecidos de la dureza Vickers.
.2.
RECOMENDACIONES •
9ara tener datos precisos, se recomienda calibrar el e!uipo antes de la
•
identacion y fi+ar la carga correcta a la cual se le va aplicar. 9ara no cometer errores !ue estén fuera del margen especificad,el espesor de la probeta del material en cuestión debe ser al menos diez veces la profundidad de la uella.
VIII.
BIB+IORAFIA
•
?Ensayo de 7enacidad de Fract%ra@ttp1GGes.scribd.comGdocGF(A;F3(FGEnsayoOdeO%enacidadOaO=ractura
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?7enacidad
a
la
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Fract%ra@ttp1GG@@@.linguee.peGespanolO
inglesGtraduccionGtenacidadPaPlaPfractura.tml
•
&allister, Q. 4)//A6 "ntroducción a la ciencia e "ngenier'a de los materiales. Editorial >everte. EspaCa. $isponible en1 emeroteca de MNG#%G%ru+illo. 4:uscado 23 de mayo(2)26. Ensayo de dureza Vickers $isponible en1 [email protected]@iklG$urezaR superficial 4:uscado 27 de mayo(2)26.
I,.
+OSARIO
DURE+A BRINELL, En los 'etales no (errosos consiste en ,rensar %na es(era de acero end%recido de 10 'il/'etros de di)'etro en la '%estra de 'etal con %na carga de 00 kilogra'os ,or 300 seg%ndos 'idiendo des,%As el )rea de la indentaci&n.
DURE+A ROC-.ELL, sa -arios indentadores y cargas.
DEFLE/I0N, #%r-arse o do+larse ante %na (%erCa %e se a,lica.
DURE+A, !ro,iedad %e ,er'ite a %n c%er,o resistir a la ,resi&n al ata%e de otro c%er,o. •
Tenacidad:
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La tenacidad es la resistencia que opone un mineral u otro material a ser roto, molido, doblado, desgarrado o suprimido.
,.
ANE,OS
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Fig Nº> !re,araci&n de la ,ro+eta.
Fig Nº8 5%estra de "idrio des,%As del Ensayo.
