capitulo iii

Introducción a Ciencia e Ingeniería de Materiales

CAPITULO III

NORMALIZACION Y ENSAYO DE MATERIALES.

3.1. DEFINICIONES.

La normalización o estandarización es la redacción y aprobación de normas que se

establecen para garantizar el acoplamiento de elementos construidos independientemente,

así como garantizar el repuesto en caso de ser necesario, garantizar la calidad de los

elementos fabricados, la seguridad de funcionamiento y trabajar con responsabilidad social.

La normalización es el proceso de elaborar, aplicar y mejorar las normas que se aplican a

distintas actividades científicas, industriales o económicas con el fin de ordenarlas y

mejorarlas. La asociación estadounidense para pruebas de materiales (ASTM) define la

normalización como el proceso de formular y aplicar reglas para una aproximación

ordenada a una actividad específica para el beneficio y con la cooperación de todos los

involucrados.

El proceso de normalización se puede simplificar de la siguiente forma.

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Estudio prenormativo

Pre y Consulta pública

Pos consulta pública

Consejo Técnico

Ratificación

Aplicación

OBJETIVOS DE LA NORMALIZACION DE MATERIALES.

La normalización persigue fundamentalmente tres objetivos:

- Simplificación: se trata de reducir los modelos para quedarse únicamente con los

más necesarios.

- Unificación: para permitir el intercambio a nivel internacional.

- Especificación: se persigue evitar errores de identificación creando un lenguaje

claro y preciso.

Las elevadas sumas de dinero que los países desarrollados invierten en los organismos

normalizadores, tanto nacionales como internacionales, es una prueba de la importancia que

se da a la normalización.

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3.1.1. UNA MIRADA RAPIDA A LAS NORMAS ISO.

Según la ISO (International Organization for Standarization) la normalización es la

actividad que tiene por objeto establecer, ante problemas reales o potenciales, disposiciones

destinadas a usos comunes y repetidos, con el fin de obtener un nivel de ordenamiento

óptimo en un contexto dado, que puede ser tecnológico, político o económico.

Las características del mercado global han creado la necesidad de establecer una

homogeneidad internacional mediante consenso de unos métodos para el establecimiento de

la calidad, fiabilidad y seguridad de los productos. A la hora de demostrar a terceros la

capacidad de calidad de una empresa y de sus productos sin tener que realizar costosos

controles individuales o estadísticos sobre cada productos, la normalización de conceptos y

métodos de gestión de calidad se ha mostrado eficaz y es lo que ha hecho que se haya

extendido por casi todas las empresas. El cumplimiento y certificación de empresas con

ISO 9000 facilita que se sea proveedor de otra empresa con la ISO 9000. El cumplimiento

y acreditación o de la ISO 17025 para los laboratorios de calibración permite realizar

calibraciones de equipos de ensayo en empresas con la ISO 9000.

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Para asegurar que la empresa se ocupe de algo que debería ser esencial en ella como es la

calidad, la Organización Internacional de Normalización (ISO) ha elaborado unas normas

(ISO 9000) que ayudan a incorporar algunos de los múltiples aspectos que lleva consigo

tener una politica empresarial sobre calidad. El cumplimiento y certificación de empresas

con ISO 9000 facilita que se sea proveedor de otra empresa con la ISO 9000. El

cumplimiento y acreditación o de la ISO 17025 para los laboratorios de calibración permite

realizar calibraciones de equipos de ensayo en empresas con la ISO 9000. La implantación

de estas normas fue una de tantas modas que las han seguido sobre aspectos que también

deberían ser sustanciales y estar grabados en el mismo ser de las empresas, así ha ocurrido

con aspectos como el respeto al medio ambiente (ISO 14000), la seguridad y prevención de

riesgos (OHSAS 18001), y es previsible que aparezcan otras normas que toquen aspectos

morales de la empresa como la formación continua, la innovación, la deontología

empresarial, etc.

Todas estas normas se pueden asumir de dos formas, o bien se toman como un tramite

burocrático mas, o bien asumir el espíritu que late detrás de ellas, de forma que se integren

como algo sustancial dentro de los fines de la empresa.

La serie ISO 9000 incluye las siguientes normas:

ISO 9000: Normas para la gestión de la calidad y el aseguramiento de la calidad. En

esta norma se establecen las directrices para selección y utilización de las restantes

normas de la serie, así como una guía para el desarrollo, instalación y

mantenimiento de programas informáticos.

ISO 9001: Modelo de aseguramiento de la calidad en el diseño, producción,

instalación y servicio. Representa las mayores exigencias al sistema de gestión de la

calidad del proveedor. Se aplica en los casos en los que la relación cliente-proveedor

se extiende a todas las etapas de la generación del producto.

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ISO 9002: Modelo para el aseguramiento de la calidad en la producción y en la

instalación. Se aplica a empresas subcontratistas que fabrican productos según

planos y especificaciones definidos por el cliente.

ISO 9003: Modelo para el aseguramiento de la calidad en la inspección final y en

los ensayos. Se aplica cuando el cliente simplemente requiere la justificación de que

los productos cumplen las especificaciones exigidas.

ISO 9004: Gestión de la Calidad y elementos de un sistema de calidad: Líneas de

actuación.

Además de las normas ISO 9000 hay otras dos normas que complementan las de

esta serie:

ISO 10011: Reglas generales para las auditorias de los sistemas de calidad.

ISO 10013: Guía para el establecimiento de un manual de calidad.

3.2.2. NORMA TÉCNICA.

Documento que contiene los requisitos o estándares técnicos de un producto o servicio (las

características definidas en la normalización).

Documento, establecido por consenso y aprobado por un organismo reconocido, que

proporciona, para un uso común y repetido, reglas, directrices o características para

actividades o sus resultados, con el fin de conseguir un grado óptimo de orden en un

contexto dado. Algunas características de las normas técnicas se mencionan a continuación:

- Documento de aplicación voluntaria

- Contiene especificaciones técnicas basadas en los resultados de la experiencia y

del desarrollo tecnológico

- Elaboradas por consenso entre centros de investigación, asociaciones,

consumidores, fabricantes, usuarios…

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- Aprobadas por un organismo reconocido de carácter internacional, nacional o

especializado.

- Periódicamente revisadas y actualizadas

Las normas técnicas son de uso voluntario y pueden ser definidas por organismos

nacionales, internacionales o incluso por empresas pequeñas y medianas. En el caso de las

nacionales, son aprobadas por el INDECOPI y se denominan Normas Técnicas Peruanas.

Hoy existen alrededor de 4,000 normas técnicas peruanas.

BENEFICIOS DEL USO DE NORMAS TÉCNICAS

- Mejora de procesos, especialización de los trabajadores y asegurarán la gestión de

procesos y productos.

- Garantiza que los productos sean seguros y que no generen riesgos a los clientes.

- Incrementará las ventas al cubrir las expectativas que tiene el cliente y que están

reflejadas en la norma técnica.

- Posicionara al producto en el mercado interno y externo como uno de calidad al cumplir

con sus normas técnicas.

- Permitirá conocer y aplicar los avances tecnológicos que se incluyen en la norma técnica.

3.2.3. ¿QUÉ SE NORMALIZA?

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Composición y características de las materias primas: acero, madera...

Productos industriales: herramientas, electrodomésticos

Productos de consumo: juguetes, alimentos, calzado...

Maquinaria y herramientas

Materiales

Seguridad contra incendios

Servicios

Componentes para la construcción

Envases y embalajes…

3.2.4. ¿QUIÉN NORMALIZA?:

Organismos reconocidos

Organismos internacionales

Organizaciones internacionales de normalización en las que participan entidades de

Normalización representativas de países de todo el mundo que se interesan por contar con

Normas Técnicas internacionales: ISO, IEC y Codex Alimentarius.

International Organization of

Standardization

International Electrotechnical Commission

Normas Técnicas Regionales

Organizaciones de normalización con alcance regional, conformadas por las entidades de

normalización representativas de los países de la región pertinente. Ejem: EN (Comité

Europeo de Normalización – CEN), COPANT (Comisión Panamericana de Normas

Técnicas con alcance en países de América)

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Organismos especializados o asociaciones:

Aquellas establecidas por asociaciones industriales o por órganos gubernamentales,

teniendo por ello alcance doméstico. Ejm: normas ASTM en EEUU y normas de la

Asociación de la Industria Electrónica del Japón.

Organismos nacionales:

Normas aprobadas por organismos nacionales de normalización de los países ejm.

INDECOPI-NTP(Perú), ICONTEC(Colombia), ABNT (Brasil),AENOR (España), AFNOR

(Francia), BSI (Inglaterra), DIN (Alemania)...

NORMAS TECNICAS PERUANAS

Son documentos de aplicación voluntaria, aprobadas por la Comisión de Reglamentos

Técnicos y Comerciales - CNB del INDECOPI y elaboradas por los Comités Técnicos de

Normalización

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Comités Técnicos de Normalización – CTN

Grupos creados por la Comisión y conformados por representantes de los sectores

involucrados en una actividad definida, que bajo la supervisión del INDECOPI elaboran

Proyectos de Normas Técnicas Peruanas relacionados con su campo de actividad.

Participan: sector productor/exportador, técnico y consumo

Elaboración de normas técnicas.

Para confeccionar una norma técnica se constituye un comité especializado en cada tema o

grupo de temas similares, el que se integra con representantes de la ciencia o intereses

generales (factores ajenos a interese utilitarios), con entidades de producción (industrias,

fabricantes o distribuidores) y entes de consumo (dependencias oficiales, usuarios, etc.).

Vamos a tomar como ejemplo la metodología que emplea el INSTITUTO ARGENTINO

DE RACIONALIZACION DE MATERIALES (IRAM), el estudio de una norma

comprende los siguientes pasos:

1. Búsqueda de antecedentes.

2. Preparación de un esquema de norma técnica.

3. Consideraciones por el subcomité correspondiente.

4. Consideraciones por el encargado del equipo A, de estudio.

5. Discusión publica.

6. Recopilación y clasificación de observaciones por el equipo A, de estudio y

elevación al subcomité.

7. Consideraciones del subcomité.

8. Consideraciones de la norma y el informe del equipo B, de coordinación.

9. Consideraciones de la norma por el comité.

10. Consideraciones por el comité General de Normas.

11. Aprobación del comité General de Normas.

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12. Consideraciones y aprobación por el consejo directivo.

13. Elevación a la Comisión Nacional de Información de Materiales (CUM).

14. Consideración de observaciones recibidas en la CUM.

15. Despacho del equipo B.

16. Consideraciones de la comisión de estudios.

17. Nueva aprobación del consejo directivo.

18. Nueva elevación a CUM para continuar su trámite.

Tipos de Normas Técnicas Peruanas.

1. De producto: requisitos que un producto debe cumplir para ser apto para

su uso y consumo:

NTP 209.027 CAFÉ VERDE. Requisitos

NTP 011.012 UVAS DE MESA. Requisitos

2. De terminología: aquellas que definen el significado de los términos a emplear:

NTP-ISO 3509 CAFÉ VERDE. Vocabulario.

3. De métodos de ensayo: establece métodos, máquinas y útiles para la realización de

pruebas y análisis sobre materiales y productos.

4. De muestreo: especifica planes para la extracción de muestras y procedimientos para la

ejecución de inspecciones.

5. De proceso: especifica los requisitos que debe cumplir un proceso. Las NTP de proceso

abordan temas vinculados a los SG: calidad, ambiental, ocupacional, etc. Ocasionalmente

las NTP pueden ser completas, incluyendo terminología, clasificación ,etc.

3.2.6. ESPECIFICACIONES TECNICAS.

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Documento que especifica los requisitos técnicos que debe satisfacer un producto, proceso

o servicio.

La actividad industrial y comercial en general, que involucra el procesos de transformación

de materiales o la adquisición de los mismos, ya sea en forma de materia prima o de

elementos elaborados, se ciñe de ciertas pautas normativas contenidas en documentos

cuidadosamente preparados que constituyen las especificaciones técnicas.

Una especificación técnica contiene los requisitos que debe de cumplir un material o una

estructura conforme lo establecido sobre la base de la experiencia acumulada en cada caso

particular. Es, poir lo tanto, un instrumento que regla las relaciones entre el consumidor y

el fabricante o proveedor, ya que a través del mismo el primero le transmite al segundo sus

deseos, que, obviamente tiene respaldo de la tecnología, en el sentido de que resumen los

conocimientos tanto del productor como del consumidor, con lo cual se evitan o reducen

los malentendidos que impiden cumplir con un estándar mínimo compatible con la

tecnología.

Las especificaciones técnicas tienen la virtud de constituir una norma de producción para

los fabricantes, con lo cual se obtiene un producto de calidad mas uniforme que permite a

todos ellos competir en igualdad de condiciones. Para el consumidor, la existencia de

dichas especificaciones significa contar con productos que responden a exigencia

preestablecidas, y por lo tanto de calidad fácilmente controlable, ya que pueden ser

ensayadas de acuerdo a normas que están incorporadas en el texto de las especificaciones.

Las especificaciones para los materiales se refieren básicamente a:

1. Métodos de fabricación.

2. Forma, dimensiones y acabados.

3. Propiedades (Físicas, químicas y mecánicas)

4. Normas de ensayo.

3.3. ENSAYOS DE MATERIALES.

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El ensayo de materiales, en lo que atañe a la Ingeniería, constituye una disciplina que se

vincula básicamente con la tecnología de materiales y de las estructuras. No obstante, ella

tiene relación con otras materias, tal es el caso de la Resistencia de Materiales, La que se

nutre, en gran parte de las conclusiones que emanan los ensayos de materiales.

Los objetivos de los ensayos de materiales son:

- Poner en evidencia a los materiales a través de sus propiedades o , dado el caso,

determinar las propiedades de los nuevos materiales.

- Mostrar y explicar los principales métodos de caracterización mecánica de

materiales.

- Exponer los estándares (normas) más importantes existentes entorno al tema de

caracterización.

Estas propiedades pueden ser medidas haciendo uso de ciertas pruebas mecánicas tales

como ensayo de tracción, dureza, impacto, etc. en cuyos resultados se basa el ingeniero

para el diseño de estructuras y piezas de máquinas.

Clasificación e tipos de Ensayos

Según la rigurosidad:

- Ensayos técnicos de control. Rápidos y simples. Se realizan durante el proceso

productivo.

- Ensayos científicos. Se Caracterizan por la precisión. Se realizan en laboratorios.

Según la forma de realizarlos:

- Destructivos. Ensayo de tracción

- No destructivos. Ensayo de Rayos X

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Según el método empleado:

- Químicos: análisis de composición de un material. Espectrografía, espectrometría

- Metalográficos: análisis de la estructura interna del cristal. Tamaño do grano,

defectos internos,...

- Físicos y fisicoquímicos: estudiamos las propiedades físicas (densidad, punto de

fusión,...)

- Mecánicos: Para conocer las propiedades mecánicas. Tracción y compresión,

dureza, de cizalla, de choque, tecnológicos,...

-

Tensión y deformación

Hay que considerar una varilla cilíndrica de longitud l0 e sección A0, que someteremos a un

par de fuerzas en la dirección do eje, con el fin de estudiar las deformaciones que se

producen, y comprobar h sta que punto son elásticas y plásticas.

Definimos tensión como o cociente de la fuerza de tracción aplicada sobre un cuerpo

sobre la sección del cuerpo.

σ=FAo

( N

m2 ó Pa)13

Gráfico 4


Cando a una varilla se le aplican un par de fuerzas en la dirección del eje es de sentido

opuesto se produce una elongación (deformación) que es el cociente da variación de

longitud ( l ) e a longitud original:

ε=∆ llo

siendo ∆ l=l−lo

Esta ultima expresión se expresa en porcentajes

3.3.1. ENSAYOS DESTRUCTIVOS

A. Ensayo de tracción.

Muchas propiedades de un material pueden ser determinadas a partir de un ensayo de

tracción o de compresión, a partir de una muestra del material. El resultado de ese ensayo

puede ser representado en un diagrama tensión deformación.

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Este ensayo consiste en estirar una probeta (Figura 1) de sección uniforme y conocida

sometiéndola a una carga de tracción o tensión en una máquina especialmente construida

para estos fines.

Con este instrumento se puede obtener una relación entre la carga aplicada y la

deformación experimentada por la probeta tal como lo indica la figura 1. Pero para poder

comparar probetas de distintas formas y tamaños conviene graficar la carga dividida por el

área de la probeta versus alargamiento dividido por largo inicial o sea, esfuerzo (σ = P/Ao )

versus deformación unitaria (e = Δl /lo ) tal como se ilustra en la figura 2a. Nótese que

ambas curvas tienen la misma forma, lo único que hemos variado ha sido la magnitud de

las unidades en los ejes de coordenadas. En ambas curvas notamos que la curva llega a un

máximo, que recibe el nombre de resistencia a la tracción cuando la carga máxima se

expresa por unidad de área. Otro hecho notable es que la curva se inicia como una línea

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recta, que significa que la deformación es directamente proporcional a la carga (o esfuerzo).

Expresado matemáticamente σ = Eε, donde E es una constante del material, llamada

Módulo de Young. Este hecho ya fue observado por Hooke en 1678 razón por la cual

recibe el nombre de ley de Hooke (originalmente expresado como: "Ut tensio, sic vis", o

sea, deformación es como la tensión). Además en este rango, si el ensayo se interrumpe y

se retira la carga de la probeta, ésta vuelve a su tamaño original, o sea, la tracción es

reversible en ese rango.

Este comportamiento del material se denomina elástico. En los metales el límite de

proporcionalidad prácticamente coincide con el límite elástico del material. Al exceder la

carga del límite elástico el ensayo ya no es reversible y la probeta queda con una

deformación permanente, o sea, estamos en el rango plástico. Podemos definir entonces el

esfuerzo de cedencia o fluencia (Y) del material que nos indicaría el límite entre el rango

elástico y el plástico. Como este punto es difícil de precisar en un ensayo, es costumbre en

ingeniería definir el punto de fluencia como aquel esfuerzo con que se obtiene una

deformación permanente de 0.2% (ep = 0.002).

La probeta se deforma plásticamente en toda su longitud en forma uniforme al inicio y

finalmente en forma localizada, formando un "cuello" hasta que ocurre la ruptura (Figura

2b)

B. Ensayo de Dureza.

Mide la resistencia de un material a ser penetrado por un indentador, herramienta de corte o

simplemente rayado por otro material. El indentador usualmente es una bolita, pirámide o

cono hecho de un material mucho más duro que el ensayado, por ejemplo, acero templado,

carburo de tungsteno sinterizado o diamante.

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Un número empírico de dureza es calculado del resultado del área o profundidad de

impresión (ver tabla) y la carga aplicada. Los ensayos nunca deben hacerse cerca del borde

de la probeta o más cerca que tres veces el diámetro de otra impresión.

Los ensayos de dureza producen deformación plástica en el material, luego todas las

variables que afecta la deformación plástica también afectan la dureza. Para materiales que

se endurecen por deformación en forma similar, hay una buena correlación entre dureza y

resistencia a la tracción. Por ejemplo en aceros BHN = 3RT (Kg/mm2)= 2RT (Kpsi).

La figura 3 recoge los tipos de penetradores e impresiones asociados con distintos ensayos

de dureza. El ensayo de dureza se hace con mucha facilidad y es un ensayo no-destructivo,

razón por la cual se emplea para control de calidad en producción.

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C. Ensayo de Impacto.

Mide la energía para romper el material por una carga aplicada de golpe y está relacionada

con la tenacidad del material. La fragilización que resulta de un tratamiento térmico

incorrecto puede no ser revelado por el ensayo de tracción pero se hace notar con esta

prueba.

La figura 4 muestra el péndulo de impacto y el aspecto y la forma de la probeta. La

presencia de la muesca en la barra y la carga aplicada de golpe aumenta la severidad del

ensayo. La concentración en la muesca produce fractura con muy poca fluencia plástica.

Mientras más frágil la probeta, menos energía pierde el péndulo a raíz del impacto.

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Los resultados de una serie de pruebas de impacto realizadas a diversas temperaturas se

muestran en la figura 5. A temperaturas altas se requiere una gran absorción de energía para

que se rompa la probeta. A su vez, a bajas temperaturas a probeta se fractura con poca

energía absorbida. A temperaturas elevadas el material se comporta de manera dúctil y a

temperaturas bajas el material es frágil. La temperatura de transición es aquella a la cual el

material cambia de presentar una fractura dúctil a una frágil. No todos los materiales

presentan una temperatura de transición y ejemplo de ello son los materiales FCC.

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Descripción del Ensayo.

- Un péndulo oscilante de peso fijo, es elevado a una altura estándar, dependiendo del

tipo de muestra a probar.

- El péndulo tiene una cantidad definida de energía potencial (por su altura). Cuando

el péndulo se libera, esta energía se convierte en energía cinética (de movimiento)

hasta que golpea a la muestra atrás de la muesca en V.

- Parte de la energía del péndulo se utiliza para romper la muestra; en el lado opuesto

el péndulo se eleva a una altura menor que aquella con que inició su movimiento.

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- El peso del péndulo por la diferencia de alturas indicará la energía absorbida por la

muestra, o sea la resistencia al impacto de la muestra con muesca.

a) Dispositivo del ensayo Charpy. b) Muestras típicas

D. Ensayo de Fatiga

Es conocido que un material no resiste altos esfuerzos durante largos períodos bajo cargas

alternadas o pulsantes como ser vibraciones, que sin embargo puede resistir en forma

estática. El ensayo de fatiga determina el esfuerzo que un material de dimensiones

estandarizadas puede resistir por un cierto número de ciclos. La figura 6 muestra la

máquina usada para el ensayo y la figura 7 los resultados en un gráfico S-N (esfuerzo

versus número de ciclos). En aleaciones ferrosas existe un esfuerzo bajo el cual la probeta

es casi eterna (108 ciclos), este valor recibe el nombre de límite de durabilidad, o límite de

fatiga. Esto no ocurre en materiales no ferrosos.

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Figura 6: Máquina usada para el ensayo de fatiga.

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capitulo iii

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