Estructura y Propiedades de los Materiales Por: Bibiana del C. Hdez. Hdez. Suleyra Cornelio Aquino
Unidad 1 Introducci贸n a las Propiedades de los Materiales.
Los materiales son los productos 煤tiles para la actividad tecnol贸gica, y que obtienen de las materias primas (los recursos naturales).
Unidad 1 Introducci贸n a las Propiedades de los Materiales.
Unidad 1 Introducci贸n a las Propiedades de los Materiales.
CLASIFICACIÓN
Unidad 1 Introducción a las Propiedades de los Materiales.
CLASIFICACIÓN METALES
CERÁMICOS
POLÍMEROS
COMPUESTOS
Buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones permiten una mejor combinación de propiedades. Son usados a menudo como aislantes. Fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Usualmente se utilizan como materiales de construcción. Ejemplos: Ladrillo, vidrio, porcelana, etc. Grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas están los dispositivos electrónicos.
Formados a partir de dos o más materiales de distintos grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.
Unidad 1 Introducción a las Propiedades de los Materiales.
ENLACES • Metálicos. Son de tipo metálico. Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, así que los pierden fácilmente esos y éstos se convierten en iones positivos. • Cerámicos. Es principalmente iónico o covalente, en general una mezcla de ambos. El carácter iónico aumenta con la diferencia en electronegatividad de los átomos que se unen. • Polímeros. Los electrones de valencia toman parte en enlaces covalentes; por ello, su conductividad eléctrica es bien baja. Este tipo de enlace es la fuerza que mantiene unidos entre sí los átomos no metálicos. Unidad 1 Introducción a las Propiedades de los Materiales.
Unidad 1 Introducci贸n a las Propiedades de los Materiales.
CRISTALINO Y AMORFO Todos los materiales sólidos pueden clasificarse, de acuerdo a su estructura molecular, en cristalinos y amorfos.
CLASIFICACIÓN
Cristalino
Las moléculas están ordenadas en 3 dimensiones, que se llama ordenamiento periódico.
Amorfo
Las moléculas se enmarañan en un completo desorden.
Unidad 1 Introducción a las Propiedades de los Materiales.
Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
La metalurgia es la
ciencia y técnica de la obtención y tratamiento de los metales, desde minerales metálicos, hasta los no metálicos. También estudia la producción de aleaciones, el control de calidad de los procesos vinculados así como su control contra la corrosión.
dad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
• METALURGIA EXTRACTIVA: Obtención comercial de metales a partir de sus menas y preparación de los metales para su uso.
• • • •
ETAPAS: Extracción de la mena. Pretratamiento de menas. Reducción a metales libres. Afino o purificación. Menas
• El hierro es el metal más utilizado de la corteza terrestre, siendo su principal aleación el acero. Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
Las aleaciones son productos homogéneos de propiedades metálicas de dos o mas elementos.
Estas aleaciones pueden ser: Ferrosas. No ferrosas. Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
ALEACIONES FERROSAS • Las aleaciones ferrosas son las que contienen un porcentaje muy alto de hierro, como el acero o los hierros fundidos. Se dividen principales:
en
tres
grupos
• Aceros simple. • Aceros inoxidables. • Hierros fundidos. Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
Son duros o livianos, resistentes a la corrosión y tienen resistencia mecánica.
Aceros • La aleaciones ferrosas tienen al hierro como su principal metal de aleación; mientras que las aleaciones no ferrosas, tienen un metal distinto del hierro. • Los aceros que son aleaciones ferrosas son los más importantes, principalmente por su costo relativamente bajo y la variedad de aplicaciones por sus propiedades mecánicas.
Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
Aceros Inoxidables • Los aceros inoxidables son las aleaciones ferrosas más importantes por su alta resistencia a la corrosión; para ello, debe contener al menos 12% de Cromo. • Los elementos de aleación (níquel, cromo y molibdeno) se añaden a los aceros al carbono para producir aceros de baja aleación.
• Los aceros de baja aleación presentan alta resistencia y tenacidad, y son de aplicación común en la industria de automóviles para usos como engranajes y ejes.
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Hierros para Fundición • Los hierros para fundición, son otra familia industrialmente importante de las aleaciones ferrosas.
• Son de bajo costo y tienen propiedades especiales, tales como una buena moldeabilidad, resistencia a la corrosión, al choque térmico, al desgaste y durabilidad. • La fundición gris tiene una alta maquinabilidad y capacidad de amortiguamiento de vibraciones, debido a las hojuelas de grafito en su estructura. Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
DIAGRAMA FE-C • El hierro y el carbono constituyen aleaciones únicamente hasta un 6,67% en peso de C. Con esta concentración y superiores, se crea un compuesto químico denominado Cementita (Fe3C), que no tiene propiedades metálicas. • Por lo tanto, únicamente se estudia el diagrama hasta esa proporción.
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Solidificación • Austenita (hierro-γ). Proporciones inferiores al 1,76% de C. • Ledeburita. Con 4,30% de C. • Ferrita (hierro-α). A 723 C. El cambio de solubilidad, en estado sólido, forma la Perlita, con 0.89% de C.
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• Esto provoca la 1 clasificación del sistema FeC: se habla de aceros, si el C es inferior a 1,76%; y de fundiciones, entre 1,76 y 6,67%. • A los aceros con proporción menor que 0,89% de C se les llama hipoeutectoides; y si tienen entre 0,89 y 1,76%, hipereutectoides. • Recopilando todo, el diagrama Fe-C queda así:
Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
¿Qué es el Acero? El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05%; hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos, tales como el Cromo) oNíquel.
Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio); el cual se convierte más tarde en acero. Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
OBTENCIÓN DEL ACERO • Algunos términos para conocer: • Se denomina siderurgia, a la técnica del tratamiento del mineral de hierro para obtener diferentes tipos de éste, o de sus aleaciones. • Un tren de laminación de alambre o tren de alambrón, es un tipo complejo de instalación de la industria siderúrgica; que permite, mediante un proceso de laminación en caliente, la obtención de acero en forma de barras de sección ovalada o cilíndrica. • La colada industrial, es una etapa de fundición, en donde se vierte el material fundido en un molde. Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
• 9.3. Proceso siderúrgico.
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Proceso siderúrgico (Continuación) A) Materia prima del horno alto: Mineral de hierro Carbón de coque Fundente B) Funcionamiento del horno alto.
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Arrabio a acero (LD) • C) Procedimiento LD. El torpedo de arrabio descarga sobre la cuchara, y ésta carga el convertidor para producir acero. Materia prima que emplea el convertidor LD. Características del horno convertidor. Funcionamiento del convertidor.
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Funcionamiento del Convertidor
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D) Horno ElĂŠctrico
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Horno Eléctrico (Continuación) Materia prima que utiliza el horno eléctrico. Características del horno eléctrico. Funcionamiento del horno eléctrico.
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Colada del Acero Colada convencional. Colada sobre lingoteras. Colada continua. Planta de producción de colada continua. En la fotografía de la izq., se están produciendo 6 coladas simultáneamente.
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Trenes de laminación Laminación en caliente. Laminación en frío.
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Tren de laminación (Continuación)
Esquema de funcionamiento de una instalación de trenes de laminación: 1. Tren desbastador; 2. Sección de enfriamiento; 3. Tren de bandas (para fabricación de chapa fina).
CLASIFICACIÓN DEL ACERO Los diferentes tipos de acero se clasifican de acuerdo a los elementos de aleación que producen distintos efectos en el Acero. ACERO
ALEADO
AL CARBONO
BAJA ALEACIÓN ULTRARRESISTENTE
INOXIDABLE
ESTRUCTURALES
P/HERRAMIENTAS
ESPECIALES
Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
Aceros al Carbono • Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Éstos contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de Manganeso, el 0,60% de Silicio y el 0,60% de Cu. Entre los productos fabricados, figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, etc.
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Aceros Aleados Estructurales
Para herramientas
Especiales
Se emplean para diversas partes de m谩quinas, tales como engranajes, ejes y palancas. Adem谩s, se usan en estructuras de edificios. El contenido de la aleaci贸n va desde 0,25% a 6%. Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y nometales. Como taladros, escariadores, fresas, etc. Son los inoxidables y de contenido de Cr superior al 12%. De gran dureza y alta resistencia a altas temp. Y corrosi贸n; se usan en turbinas de vapor, engranajes, etc.
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Baja aleación Ultrarresistente • Esta familia es la más reciente. Son más baratos que los aleados convencionales, pues contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. • Reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mayor que la del acero al C. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con este acero pueden transportar cargas más grandes, porque sus paredes son más delgadas que lo que serían al usar acero al C. • Actualmente, se construyen muchos edificios con estructuras de este acero. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios. Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
Aceros Inoxidables • Contienen Cr, Ni y otros elementos de aleación, que los hacen brillantes y resistentes a herrumbre y oxidación; aún con la humedad, ácidos y gases corrosivos. • Algunos son muy duros; otros muy resistentes y mantienen la resistencia por largos periodos a temperaturas extremas. Por a sus superficies brillantes, en arquitectura se usan muchas veces para decorar. • Se usa igual en tuberías y tanques de refinerías de petróleo, equipos quirúrgicos; fijar o sustituir huesos rotos, pues resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos, en los utensilios, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.
Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
NOMENCLATURA AISI/SAE • La microestructura del acero determina la mayoría de sus propiedades y está dada por el tratamiento y composición química; uno de los sistemas más generalizados en su nomenclatura es por composición química. • En el sistema AISI-SAE, los aceros se clasifican con 4 dígitos. Los primeros 2 se refieren a los 2 elementos de aleación más importantes; los 2 o 3 últimos dígitos dan la cantidad de C presente en la aleación. • Un acero 1040 AISI, es un acero con 0.4%C; un acero 4340 AISI, es un acero aleado que contiene o.4%C, el 43 indica la presencia de otros elementos aleantes. • AISI, American Iron and Steel Americano del Hierro y el Acero).
Institute
Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
(Instituto
• Las convenciones para el primer dígito son: • 1 - MANGANESO. 2 - NIQUEL (Ni). 3 - Ni-Cr, principal aleante, el cromo. 4 - MOLIBDENO. 5 - CROMO (Cr). 6 - Cr-VANADIO, principal aleante, el cromo. 8 – Ni-Cr-MOLIBDENO, principal aleante, el molibdeno. 9 - Ni-Cr-MOLIBDENO, principal aleante, el níquel. • No hay aceros numerados 7xxx, porque éstos son resistentes al calor y prácticamente no se fabrican. • Se observa entonces que si el primer número es 1, se sabe que es un acero al carbono; si el dígito siguiente es el 0, o sea que la designación es 10xx, se trata de un acero ordinario al carbono (no hay segundo elemento de aleación). Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
Estas aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación nulo), como P, C, Si, S, As. Las aleaciones generalmente se clasifican teniendo en cuenta cuál o cuáles elementos se encuentran presentes en mayor proporción, denominándose a estos elementos componentes base de la aleación. Los elementos que se encuentran en menor proporción, serán componentes secundarios o componentes traza.
Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
• Las Aleaciones no ferrosas, son aquellas que carecen de hierro o tienen un bajo nivel de éste. Los metales no ferrosos se pueden clasificar en:
• Pesados.
• Ligeros. • Ultraligeros. Alta resistencia a la corrosión, buenas propiedades de tensión, muy dúctiles aún a temperaturas bajas y resistencia mecánica. Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
• Las aleaciones de aluminio son las más importantes entre las no ferrosas, principalmente por su ligereza, endurecibilidad por deformación, resistencia a la corrosión y su precio relativamente bajo. Se usan en aeronáutica y en la fabricación de barcos. • El cobre no aleado se usa en abundancia por su conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión, buen procesado y costo relativamente bajo; se alea con el Zn para formar el latón (más resistente); y con Sb y P o Al, para crear lo que es el bronce.
• Otras aleaciones son las de magnesio, titanio y níquel. Las de magnesio son excepcionalmente ligeras y tienen aplicaciones aeroespaciales. Unidad 2 Metalurgia. Aleaciones ferrosas y no ferrosas.
Unidad 3 Tratamientos TĂŠrmicos.
Es la operación de calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil.
Unidad 3 Tratamientos Térmicos.
Los tratamientos tĂŠrmicos han adquirido gran importancia en la industria en general; ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias, tanto al desgaste como a la tensiĂłn.
Unidad 3 Tratamientos TĂŠrmicos.
Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento tĂŠrmico, es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases, como el de Hierro - Carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.
Unidad 3 Tratamientos TĂŠrmicos.
Endurecimiento del acero El proceso de endurecimiento del acero, consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme a la temperatura correcta; y luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en una c谩mara refrigerada. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracci贸n (tensi贸n) y disminuye la ductilidad.
Unidad 3 Tratamientos T茅rmicos.
El acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, entre los 1450 F y 1525 F (790 a 830 C); lo cual se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Cuando se calienta el acero, la perlita se combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se enfría la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se transforma en martensita, material que es muy duro y frágil.
Unidad 3 Tratamientos Térmicos.
Unidad 3 Tratamientos TĂŠrmicos.
Unidad 3 Tratamientos TĂŠrmicos.
Temple (revenido) Después que se ha endurecido el acero es muy quebradizo o frágil lo que impide su manejo pues se rompe con el mínimo golpe. Para contrarrestar la fragilidad se recomienda el temple del acero (en algunos textos a este proceso se le llama revenido y al endurecido temple). El proceso consiste en limpiar la pieza con un abrasivo para luego calentarla hasta la temperatura adecuada (ver tabla), para después enfriarla con rapidez en el mismo medio que se utilizó para endurecerla.
Unidad 3 Tratamientos Térmicos.
Tabla de temperaturas para templar acero endurecido
Color
Grados F
Grados C
Paja claro
430
220
Herramientas como brocas, machuelos
Paja mediano
460
240
Punzones dados y fresas
Paja obscuro
490
255
Cizallas y martillos
Morado
520
270
Ă rboles y cinceles para madera
Azul obscuro
570
300
Cuchillos y cinceles para acero
Azul claro
600
320
Destornilladores y resortes
Unidad 3 Tratamientos TĂŠrmicos.
Tipos de aceros
Recocido El proceso consiste en calentar al acero por arriba de su temperatura crítica y dejarlo enfriar con lentitud en el horno cerrado o envuelto en ceniza, cal, asbesto o vermiculita.
Cementado Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono, quedando el núcleo blando y dúctil. Los tres métodos de cementación más comunes son: empacado para carburación, baño líquido y gas.
Unidad 3 Tratamientos Térmicos.
Carburización por empaquetado Este procedimiento consiste en meter al material de acero con bajo contenido carbónico en una caja cerrada con material carbonáceo y calentarlo hasta 900 a 927 C durante 4 a 6 horas. En este tiempo el carbono que se encuentra en la caja penetra a la superficie de la pieza a endurecer. Para evitar deformaciones y disminuir la tensión superficial se recomienda dejar enfriar la pieza en la caja para posteriormente sacarla y volverla a calentar entre 800 y 845 C.
Unidad 3 Tratamientos Térmicos.
Carburización en baño líquido El acero a cementar se sumerge en un baño de cianuro de sodio líquido. También se puede utilizar cianuro de potasio pero sus vapores son muy peligrosos. Se mantiene la temperatura a 845 C durante 15 minutos a 1 hora, según la profundidad que se requiera. Con este procedimiento se logran capas con espesores de 0,75 mm.
Unidad 3 Tratamientos Térmicos.
Carburización con gas En este procedimiento se utilizan gases carburizantes para la cementación. La pieza de acero con bajo contenido carbónico se coloca en un tambor al que se introduce gas para carburizar como derivados de los hidrocarburos o gas natural.
El procedimiento consiste en mantener al horno, el gas y la pieza entre 900 y 927 C. después de un tiempo predeterminado se corta el gas carburizante y se deja enfriar el horno. Luego se saca la pieza y se recalienta a 760 C y se enfría con rapidez en agua o salmuera. Unidad 3 Tratamientos Térmicos.
Carburado, cianurado y nitrurado Existen varios procedimientos de endurecimiento superficial con la utilizaci贸n del nitr贸geno y cianuro a los que por lo regular se les conoce como carbonitrurado o cianurado. En todos estos procesos con ayuda de las sales del cianuro y del amoniaco se logran superficies duras como en los m茅todos anteriores.
Unidad 3 Tratamientos T茅rmicos.
Propiedades mecánicas Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada. Entre estas características están: Resistencia al desgaste Tenacidad Maquinabilidad Dureza
Unidad 3 Tratamientos Térmicos.
Mejora de las propiedades a través del tratamiento térmico Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina que forman los aceros sin variar la composición química de los mismos. Esta propiedad de tener diferentes estructuras de grano con la misma composición química se llama polimorfismo y es la que justifica los tratamientos térmicos. Técnicamente el poliformismo es la capacidad de algunos materiales de presentar distintas estructuras cristalinas, con una única composición química, el diamante y el grafito son polimorfismos del carbono.
Unidad 3 Tratamientos Térmicos.
Unidad 4 PolĂmeros, CerĂĄmicos y Materiales Compuestos.
Compuesto orgánico, natural o sintético, de elevado peso molecular constituido por unidades estructurales repetitivas o lo que es igual cadenas de gran tamaño formadas por la unión covalente de varias unidades monoméricas (macromolécula).
Plástico Aquellos polímeros cuya propiedad fundamental es la plasticidad (termoplásticos). Se deforma plásticamente bajo acción de presión y/o calor. Unidad 4 Polímeros, Cerámicos y Materiales Compuestos.
Unidad 4 PolĂmeros, CerĂĄmicos y Materiales Compuestos.
Polímeros Cristalinos y Amorfos Se distinguen regiones de dos clases: las cristalinas, en la que las cadenas dobladas varias veces en zigzag están alineadas formando las agrupaciones llamadas cristalitos; y otras regiones amorfas, en la que las cadenas se enmarañan en un completo desorden.
Unidad 4 Polímeros, Cerámicos y Materiales Compuestos.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE POLÍMEROS • Ventajas de polímeros • • • • •
Mejoran el barrido vertical Son muy viscosas cuando son altamente diluidas. Mejora la razón de movilidad agua-petróleo. Son los más aplicables en pruebas de campo. Factor económico .
• Desventajas de polímeros • • • • • •
Son sensibles a la salinidad. Taponamiento que se origina en la formación. Es muy susceptible al ataque bacterial. Son muy costosas al momento de tener problemas.. Efecto de esfuerzos y altas temperaturas Agua de alta calidad
Unidad 4 Polímeros, Cerámicos y Materiales Compuestos.
Ceramicos • Este nombre agrupa un gran número de materiales de carácter inorgánico, no metálicos ni polímeros, con diferentes propiedades y aplicaciones. Todos ellos se obtienen al hornear materiales naturales, como la arcilla o el caolín, junto con una serie de aditivos, como colorantes, desengrasantes, etc., todo ello mezclado y cocido en un horno sucesivas veces.
Unidad 4 Polímeros, Cerámicos y Materiales Compuestos.
• Entre los metales cerámicos puros destacan el óxido de aluminio, el nitruro de silicio y el carburo de tungsteno.
• Estos materiales presentan una estructura atómica formada por enlaces híbridos iónico-covalentes que posibilitan una gran estabilidad de sus electrones y les confieren propiedades específicas como la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusión. • Sin embargo, su estructura reticular tiene menos electrones libres que la de los metales, por lo que resultan menos elásticos y tenaces que éstos.
• Según su microestructura, podemos clasificarlos en: cerámicos cristalinos, cerámicos no cristalinos o vidrios y vitro cerámicos.
Unidad 4 Polímeros, Cerámicos y Materiales Compuestos.
Clasificación • Cerámicos cristalinos • Vitro cerámicos Se obtienen a partir de sílice fundida. Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas, superiores a la de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractarios.
• Cerámicos no cristalinos Se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el proceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización.
Se fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de enfriamiento también rápido. Químicamente son similares a los vidrios convencionales, pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de microcristales que les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica.
Unidad 4 Polímeros, Cerámicos y Materiales Compuestos.
Material Compuesto Son aquellos que se componen de combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtiene de estas combinaciones son características de ellos, lo que hace que su utilización cada vez sea mas imponente sobre todo en aquellas piezas que necesitamos propiedades combinadas en la que un material (polímero, metal o cerámico) por si solo no nos puede brindar.
Unidad 4 Polímeros, Cerámicos y Materiales Compuestos.
• Un material compuesto presenta 2 elementos principales: fibra y matriz. La combinación adecuada de estos componentes origina unos materiales con mejores propiedades que las partes que los componen por separado. Además de fibra y matriz existen otros tipos de componentes como cargas y adictivos que dotan a los materiales compuestos de características peculiares para cada tipo de fabricación y aplicación.
Unidad 4 Polímeros, Cerámicos y Materiales Compuestos.
•
Fibras. - Las fibras es el componente de refuerzo del material compuesto. Aporta resistencia mecánica, rigidez y dureza y va a ser determinante para obtener las principales propiedades mecánicas. Las características mas sobresalientes de las fibras de los materiales compuestos son su resistencia a la tracción especifica y su elevado modulo especifico.
Fibras de carbono Fibra de vidrio Fibra de carburo de silicio Fibras metálicas
Fibras orgánicas Fibra de boro Fibra de cuarzo Otras fibras cerámicas
Unidad 4 Polímeros, Cerámicos y Materiales Compuestos.
Matriz. - Es el volumen donde se encuentra alojado la fibra, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitido al material compuesto. El comportamiento a fractura también depende de la resistencia de la interfase. Una interfase débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa. Matrices orgánicas
Matrices inorgánicas.
Unidad 4 Polímeros, Cerámicos y Materiales Compuestos.
Aplicaciones CONSTRUCCIONES:
• • • • • • • • • • • • • • •
Andamios Bancos Barandillas de fuentes Barreras Desatascadores Escalas Estructuras Marcos y canales Postes de alumbrado Postes de cercados Refuerzos Rejillas Tirantes Tuberías de baja presión Horcas
NAVAL: •Balizas •Bicheros •Candeleros y pasamanos •Mástiles y verjas de velas
Unidad 4 Polímeros, Cerámicos y Materiales Compuestos.
Unidad 5 Comportamiento Mecรกnico de los Materiales.
• Son las que están relacionadas con el comportamiento del material cuando se somete a esfuerzos.
Dureza: Un material es duro o blando dependiendo de si otros materiales pueden rayarlo
Tenacidad/Fragilidad: Un material es tenaz si aguanta los golpes sin romperse; es frágil, si cuando le damos un golpe se rompe.
Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
PROPIEDADES MECÁNICAS • Son las que están relacionadas con el comportamiento del material cuando se somete a esfuerzos.
Elasticidad/Plasticidad: Un material es elástico cuando, al aplicarle una fuerza se estira, y al retirarla vuelve a la posición inicial. Un material es plástico cuando al retirarle la fuerza continua deformado.
Resistencia mecánica: Un material tiene resistencia mecánica cuando soporta esfuerzos sin romperse.
Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
DIAGRAMA ESFUERZO-DEFORMACIÓN • El diagrama empieza con una línea recta desde O hasta A. En esta región, el esfuerzo y la deformación son directamente proporcionales, y se dice que el comportamiento del material es lineal.
• Después del punto A ya no existe una relación lineal entre el esfuerzo y la deformación, por lo que el esfuerzo en el punto A se denomina límite de proporcionalidad. Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
• La relación lineal entre el esfuerzo y la deformación puede expresarse mediante la ecuación σ = Ez , donde E es una constante de proporcionalidad conocida como el módulo de elasticidad del material.
• El módulo de elasticidad es la pendiente del diagrama esfuerzo-deformación en la región linealmente elástica, y su valor depende del material particular que se utilice. Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
• Después muestra proceso, atómica, material.
de sufrir las deformaciones en BC, el material un endurecimiento por deformación. En este sufre cambios en sus estructuras cristalina y dando un incremento en la resistencia del
• Un alargamiento requiere de un incremento en la carga de tensión, y el diagrama esfuerzo-deformación toma una pendiente (+) desde C hasta D. • La carga alcanza su valor máximo y el esfuerzo correspondiente (en el punto D) se denomina esfuerzo último. De hecho, el alargamiento posterior de la barra se acompaña de una reducción en la carga y finalmente se presenta la fractura en un punto E, tal como se indica en el diagrama.
Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
• La ecuación σ = Ez se conoce comúnmente como Ley de Hooke.
Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
MEDICIONES • Ensayo de dureza a la penetración (estáticos): Por medio de la huella que deja un penetrador al que le aplicamos un peso constante, el cual se empuja contra la superficie del material cuya dureza se quiere determinar. • Ensayos de resistencia al impacto: Las cargas aplicadas actúan instantáneamente para medir la resistencia al choque o tenacidad. Pueden ser de 2 tipos: Tracción por choque (la velocidad de aplicación de la fuerza es alta) y flexión por choque (una probeta de sección cuadrada provista de una entalladura en U o V, es sometida a una carga de ruptura por un martillo que se desplaza en una trayectoria circular). Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
• Ensayos de fatiga: Cuando las piezas son sometidas a esfuerzos variables, en magnitud y sentido, que se repiten con cierta frecuencia, se pueden romper con cargas inferiores a las de rotura; trabajando incluso, por debajo del límite elástico, siempre que actúen durante un tiempo suficiente.
• A este fenómeno se le conoce con el nombre de fatiga. Los ensayos de fatiga más habituales son los de flexión rotativa y torsión.
Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
ANÁLISIS DE FALLAS (FRACTURAS) • En general, las fracturas que sufren los materiales se pueden clasificar en dos tipos:
a) Fractura Dúctil • b) Fractura Frágil.
Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
• Una fractura dúctil ocurre después de que un material es sometido a una deformación plástica excesiva. • Una fractura frágil es aquella que ocurre antes o durante el momento en el que se presenta una deformación plástica. Se presenta principalmente en materiales no cristalinos, en presencia de temperaturas muy bajas.
Para determinar las fallas por fractura se usan: • Ensayos destructivos: Se produce daño o rotura de la pieza sometida al ensayo. • No destructivos: se analizan los defectos del material mediante métodos de observación directa; empleando rayos X, ultrasonidos, campos magnéticos, microscopios, etc.
Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
¿Qué es el trabajo en caliente? El trabajo en caliente incluye tareas como soldar, cortar, esmerilar y utilizar sopletes en áreas que no están diseñadas para estas actividades. Esto genera una gran cantidad de incendios en negocios e industrias todos los años. Los procedimientos para trabajar en caliente reducen las posibilidades de que se produzcan incendios en la instalación.
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SOLDADURA ELÉCTRICA DE ARCO • La fuente de calor es un arco eléctrico. Al frotar ligeramente el extremo del eléctrodo contra el metal de las piezas, se produce un cortocircuito. Así aparece una chispa a altísima temperatura que calienta el aire entre los 2 puntos de contacto.
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CORTE Y SOLDADURA CON GASES • Este proceso usa una mezcla de gas (acetileno) y oxígeno obtenido de cilindros a presión; los gases se envían a un soplete a través de válvulas y reguladores en la adecuada presión y proporción, se mezclan en el soplete y se queman generando una llama de altísima temperatura en la punta del mismo.
Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
AMOLADO • El amolado es un proceso de remoción de material, en el que una rueda compuesta por partículas abrasivas desgasta una superficie más suave; como resultado, se desprenden chispas a altísimas temperaturas que representan pequeños fragmentos metálicos removidos rápidamente.
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¿Qué es el trabajo en frío? • El trabajo en frío hace referencia a todos aquellos procesos de Conformado (moldeo de algún material), realizados a baja temperatura generalmente ambiente; como son el embutido, estampado, rolado o laminado, estirado, etc.
Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
EMBUTIDO • Cavidades de moldes, se produce forzando al macho (pieza que entra en otra) en un acero blando. El macho es tÊrmicamente tratado para obtener la dureza necesaria y la resistencia para soportar las presiones.
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• Un dado sencillo, montado sobre un apisonador, se coloca entre dos correderas que agarran la hoja metálica. • Se realiza únicamente en frío. Cualquier intento de estirado en caliente, produce en el metal un cuello y la ruptura. Unidad 5 Comportamiento Mecánico de los Materiales.
ESTAMPADO O FORJA EN FRIO • Se refiere a una fuerza de compresión o impacto, que causa que el material fluya de alguna forma predeterminada de acuerdo al diseño de los dados. En el caso más simple, el metal es comprimido entre un martillo y un yunque; y la forma final se obtiene girando y moviendo la pieza de trabajo entre golpe y golpe. • Puede realizarse ya sea con el metal caliente o frío, aunque éste último es limitado en sus aplicaciones debido al desgaste de dados y posibilidad de deformación.
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ROLADO O LAMINADO • Consiste en pasar un material por unos rodillos con una forma determinada, para que al aplicar presión, el material metálico adquiera la forma que se necesita. El material metálico puede estar en forma de lingotes o lupias, y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. • Puede ser usado en caliente y frío. Este último se lleva a cabo por razones especiales, como la producción de buenas superficies de acabado o propiedades mecánicas especiales.
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ESTIRADO • El material es estirado por encima de los limites de elasticidad, para la producción de formas en hojas de metal. Las hojas se estiran sobre hormas conformadas, en donde se deforman plásticamente hasta asumir los perfiles requeridos. • Es un proceso de trabajo en frío, y es generalmente el menos usado de todos.
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