Download - Materiales Industriales
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PROLOGO El presente manual esta dirigido
fundamentalmente a los estudiantes que
cursan la materia de materiales
industriales y al estudio de la ciencia de
los materiales.
El cual se divide en tres temas
fundamentales en el primer capitulo
materiales polimericos en donde se
describen los procesos de elaboracion, su
clasificacion, sus propiedades mecanicas,
fisicas y atendiendo un poco a sus
propiedades quimicas y el diferente
empleo que las diferentes areas como la
farmaceutica, quimica, alimentaria y
aeronautica.
El segundo metales en el cual se describen
los materiales de mayor uso y consumo en
la industria como lo son los materiales
ferrosos y no ferrosos es de gran
importancia el poder distinguir las
características ypropiedades que este
grupo puede ofrecernos para garantizar el
maximo aprovechamiento en la industria.
Y por ultimo pero no menos importante el
capitulo tres en donde estudiaremos
diagramas de fase y tratamientos termicos
los cuales nos daran los conocimientos
necesarios para poder mejorar las
propiedades de los materilaes o cambiar
estas deacuerdo a nuestras necesidades y
requerimientos.
Los autores de este manual no
pretendimos der originales al redactar esta
obra, aprovechamos la informacion
proveniente de otros autores, de las
copanias industriales y de investigadores,
con la intencion de que sea de utilidad
para los estudiantes.
Por ultimo agradecemos a nestros
respectivo alumnos su dedicacion y
aportaciones, que han enriquecido nuestra
practica docente y nuestra experiencia en
el tema. El Cuadro siguiente muestra la
clasificacion general de los materiales
tratados en esta obra.
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NO METALICOS
FUNDICIONES
ACERO
HIERRO
PESADOS
LIGEROS
ULTRALIGER
O
CONCRETO,
LADRILLO,
VIDRIO,
PIEDRA,
ARCILLA,
MICA,
ASBESTOS,
CARBUROS
ARTIFICIALE
NATURALES
NO FERROSOS
FERROSOS
CERAMICOS
ORGANICOS
NATURAES
MATERIALES
METALICOS
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1 HIGIENE Y SEGURIDAD
INDUSTRIAL
El concepto actual de salud como equilibrio y
bienestar físico, mental y social incluye:
a. La salud física o salud orgánica como
resultado del funcionamiento correcto del
conjunto de células, tejidos y órganos y
sistemas del cuerpo humano.
b. La salud psíquica que presupone un
equilibrio intelectual y emocional.
c. La salud social o bienestar en la vida
relacional del individuo.
Las alteraciones del ambiente generadas por
el trabajo crean una serie de factores agresivo
para la salud, entre los que se encuentran:
a. Factores mecánicos
b. Agentes físicos
c. Contaminantes químicos
d. Factores biológicos
e. Tensiones psicológicas y sociales.
Estos agresivos dan lugar a la patologia del
trabajo que pueden resumirse en los
siguientes riesgos profesionales:
a. Accidentes de trabajo.
b. Enfermedades profesionales.
c. Fatiga.
d. Envejecimiento y desgaste prematuro.
e. Insatisfacción.
Los accidentes y las enfermedades
profesionales se agrupan en la denominada
Patología Especifica del trabajo en la que
los factores ambientales derivados del mismo
actúan como causa claramente
determinantes.
1.1 Concepto de higiene en el trabajo Conforme a lo que habíamos indicado, puede
definirse la higiene en el trabajo como la
prevención técnica de la enfermedad
profesional entendida esta en un sentido muy
amplio, incluyendo por su puesto, las
enfermedades del trabajo tipificadas como
tales.
Para la A.I.H.A (American Industrial Hygienst
Association) se trata de la ciencia y arte
dedicados al reconocimiento, evaluación y
control de aquellos factores ambientales o
tensiones emanadas o provocadas por el
lugar de trabajo y que puede ocasionar
enfermedades, destruir la salud y el
bienestar, o crear algún malestar
significativo entre los trabajadores o los
ciudadanos de la comunidad.
De esta definición que es la mas comúnmente
aceptada, destacamos los siguientes
aspectos.
a. Las fases de la higiene industrial:
Reconocimiento, evaluación y control.
b. La actuación sobre los factores
ambientales
c. La extensión del objetivo de la mera
prevención de enfermedades a la
protección de la salud.
d. La toma en consideración de los
ciudadanos de la comunidad además de
los trabajadores.
Sin perjuicio de que pueda considerarse
demasiado extensiva esta definición que
abarcaría campos correspondientes a otras
técnicas, conviene señalar que esta en la
línea de la preocupación actual por una visión
integral de la salud, incluyendo la patología
específica e inespecífica, las manifestaciones
subclínicas, la fatiga, el disconfort y las
tensiones psicofísicas del trabajo.
Relaciones de la higiene con la medicina del
trabajo.
El carácter eminentemente técnico diferencia
a la Higiene de la Medicina del Trabajo, pues
la primera, evalúa y corrige las condiciones
ambientales partiendo de criterios de validez
general y la segunda es la que ejerce el
control y vigilancia directa del estado de salud
del trabajador, cuya alteración, que viene
causada por las condiciones de su ambiente
4
en el trabajo, es precisamente lo que se
pretende evitar.
El higienista industrial, puede aplicar técnicas
solo en la medida de los conocimientos que
tenga sobre los efectos tóxicos de los
materiales. Los valores para los agentes, tales
como plomo, mercurio, benceno, polvo de
sílice y otros materiales, han sido
ampliamente investigados desde el punto de
vista biológico y han sido establecidos niveles
de referencia para exposiciones seguras; con
estos conocimientos pueden aplicarse los
controles propios de ingeniería.
Por otro lado, el médico, una vez que ha
establecido el efecto biológico de un
contaminante ambiental, solo tiene dos
caminos, uno separar al operario del puesto
de trabajo, y otro eliminar su exposición. Si el
sistema hombre-puesto de trabajo tiene que
continuar operando, se necesitara una
coordinación estrecha entre la ingeniería y la
medicina, ya que de otra forma ninguna de
ellas podría conseguir su objetivo.
1.2 Ramas de la higiene industrial. Se pueden distinguir cuatro ramas
fundamentales dentro de la higiene industrial.
a. Higiene teórica: Dedicada al estudio de
los contaminantes y se relaciona con el
hombre, a través de estudios y
experimentaciones, con el objeto de
analizar las relaciones dosis-respuesta y
establecer unos estándares de
concentración.
b. Higiene de campo: Es la encargada de
realizar el estudio de la situación higiénica
en el ambiente de trabajo (análisis de
puestos de trabajo, detección de
contaminantes y tiempo de exposición,
medición directa y tomas de muestras,
comparación de valores estándares...)
c. Higiene analítica: Realiza la investigación y
determinación cualitativa y cuantitativa de
los contaminantes presentes en los
ambientes de trabajo, en estrecha
colaboración con la Higiene de campo y la
Higiene Teórica.
d. Higiene Operativa: Comprende la elección
y recomendación de los métodos de
control al implantar para reducir los niveles
de concentración hasta valores no
perjudiciales para la salud.
La aparición de la Higiene Industrial, lleva
implícita la aparición de un nuevo profesional,
el higienista industrial.
La antes citada A.I.H.A. define al Higienista
Industrial como una persona que teniendo
estudios medios o superiores,
preferentemente licenciado en ingeniería,
química, física, medicina o ciencias
biológicas, por especiales estudios y
entrenamiento, ha adquirido competencia en
Higiene Industrial.
1.3 Evaluación ambiental. La evaluación ambiental es un diagnóstico
sobre una situación producida por uno o
varios factores ambientales, e incluso, la
acción combinada de ellos basada en los
datos obtenidos en unas mediciones o
estimadores de la exposición, y todo ello en
relación a unos criterios higiénicos de
valoración o estándares de exposición con
unos criterios admisibles.
Del concepto anteriormente expuesto se
pueden intuir las dos principales fuentes de
error, o limitaciones, que pueden presentarse
al aplicar esta metodología de evaluación. Por
un lado , la determinación de la exactitud,
precisión y representatividad de las
concentraciones ambientales obtenidas y, por
otro lado, la calidad del propio criterio
higiénico de valoración con el cual se
comparan.
El determinar la concentración de un
contaminante en la atmosfera de trabajo
presenta una serie de dificultades, unas
derivadas de la variabilidad de dicha
concentración y otras determinadas por el
método utilizado en la toma de muestras y del
análisis .
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Para solventar en parte estos problemas es
preciso establecer una adecuada estrategia
de muestreo, con el fin de obtener unas
estimaciones representativas de la exposición
real.
El otro aspecto a considerar en la evaluación
ambiental constituye la calidad o exactitud del
criterio de valoración a utilizar, es decir, si
dicho criterio es suficientemente fiable para la
prevención de los riegos profesionales.
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2 Materiales poliméricos
2.1 ANTECEDENTES. La palabra polímero se deriva del griego poli y
meros que significa mucho y partes,
respectivamente. Algunos científicos prefieren
usar el término macromolécula, o molécula
grande, en lugar de polímero. Si se descarta
la aplicación final, la diferencia entre familias
de polímeros, incluso los plásticos, las fibras y
los elastómeros, viene determinada
principalmente por las fuerzas
intermoleculares o intramoleculares, así como
por los grupos funcionales presentes.
Los primeros seres humanos aprendieron a
procesar, teñir y tejer las fibras proteínicas
naturales como la lana y la seda, y las fibras
de hidratos de carbono, como el lino y el
algodón. Las primeras civilizaciones
americanas utilizaban el caucho para fabricar
artículos elásticos o impermeabilizar tejidos.
Siempre hubo abundancia de fibras naturales
y de elastómeros, pero no de materiales
plásticos hasta que, en 1828, Wolher sintetizo
urea partiendo de compuestos inorgánicos. A
pesar de tan importante descubrimiento, se
hicieron pocos avances en el campo de la
química orgánica hasta la década de 1850,
cuando Kekulé desarrollo las técnicas que
representan las formulas estructurales
aceptadas hoy día.
Los científicos dedicados a los polímeros
manifestaron un talento especial para realizar
descubrimientos empíricos antes de que esta
ciencia se desarrollarse. Así mucho antes de
que Kekulé desarrollara su técnica para
escribir formulas, Charles y Nelson Goodyear
transformaron el caucho en la hevea, un
material termoplástico pegajoso, en un
caucho vulcanizado o en un plástico termo fijo
de utilidad; esto lo lograron calentándolo con
cantidades variadas de azufre. De la misma
manera Shönbein combinaba celulosa con
ácido nítrico, y en 1846, Menard fabricaba
colodión disolviendo nitrato de celulosa,
producto de la reacción anterior, en una
mezcla de etanol y éter etílico. El colodión se
utilizó como líquido para engomar el tafetán,
y en ella década de 1860, como reactivo por
Parks y Hyatt para obtener celuloide, el primer
termoplástico artificial, también empleado por
Chardonnet como reactivo para fabricar seda
artificial.
Hasta el momento, todos estos inventores, así
como los hombres primitivos usaron un
producto que se encontraba en la naturaleza
para obtener un producto de mayor utilidad.
De esa manera, charles Goodyear transformo
el caucho de la hevea, un material
termoplástico y reblandecible a calor, en un
producto menos sensible al calor, utilizando
azufre para formar un número relativamente
pequeño de enlaces cruzados entre las
moléculas del poliisopropeno. Nelson
Goodyear utilizo azufre para generar una gran
cantidad de enlaces cruzados entre las
cadenas de poliisopropeno de modo que el
material ya no fuera termoplástico sino termo
fijo. Como se estudiara más adelante, los
termoplásticos son moléculas que pueden
ablandarse con el calor y volver a su estado
inicial cuando se enfrían, mientras que los
polímeros termofijos son una red
tridimensional de moléculas que no puede
moldearse con calor.
Es interesante recalcar que los hermanos
Goodyear convirtieron un elastómero
termoplástico en un elastómero termofijo y
también un plástico termofijo rígido, según la
cantidad de azufre que se le suministraba. Sin
embargo, en aquel entonces no se sabía lo
que era un polímero y no había una idea clara
de los complicados cambios que se estaban
produciendo en la obtención de los primeros
cauchos, plásticos y fibras utilizables.
Aunque no había pruebas de que Beakeland
conociera la existencia de las
macromoléculas, utilizo cantidades
Controladas de fenol y formaldehido para
convertir resinas termoplásticas en plásticos
termo fijo. Baekeland acuño el termino resol
en fase A, para descubrir la baquelita
termoplástica por condensación; el resol en
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fase A se transformaba en baquelita fase C
termofija que contenía enlaces cruzados.
También preparo resinas termoplásticas por
condensación de fenol, llamadas Novo lacas
que podían transformarse en termo fijos
añadiendo formaldehidos aun cuando 1910
ya se habían sintetizado otros polímeros en el
laboratorio, la baquelita fue el primer plástico
verdaderamente sintético.
Antes de la primera guerra mundial ya se
encontraban a disposición del púbico
plásticos, como el celuloide, la laca el Galalith
(caseína), la baquelita, el acetato de celulosa
y el caucho de la hevea; fibras, como el
algodón, la lana, la seda y el rayón; y resinas,
como los recubrimientos de poliéster
denominados gliptales el asfalto o bitumen, y
las resinas de cumarona-indeno. No obstante,
entre la primera guerra mundial y la segunda
guerra mundial fueron pocos los desarrollos
adicionales debido a la falta de conocimientos
en ciencia de los polímeros.
En los años 20, el premio nobel Hermann
Staudinger Estableció la base de la ciencia
de polímeros moderna cuando demostró que
los polímeros naturales y sintéticos no en
agregados como los compuestos cíclicos de
ciclo hexano, sino moléculas largas con
grupos terminales característicos. En 1928,
Meyer y mark utilizaron técnicas de rayos x
para determinar las dimensiones de las
cristalinas en la celulosa y el caucho natural.
El año siguiente, Carothers sintetizo y
caracterizo los poliésteres alifáticos lineales;
puesto que no eran materiales apropiados
para usarse como fibras, Carothers sintetizo
las poliamidas que se conocen con el nombre
genético de nylon.
Los expertos en polímeros de los años 30
estaban de acuerdo en que los polímeros son
moléculas de cadena y que la viscosidad de
sus soluciones depende del tamaño y la forma
de las moléculas en las disoluciones. Si bien
es cierto que la producción de muchos
polímeros, se aceleró con la segunda guerra
mundial, debe admitirse que la elaboración de
estos productos se debió en gran parte a los
conceptos desarrollados por Staudinger,
Carothers, Mark y otros científicos punteros
en el campo de los polímeros.
El desarrollo de la tecnología de los polímeros
a partir de la década de los 20 ha sido muy
rápido; en algunos casos, la técnica se ha
adelantado a la teoría, no obstante, se ha
desarrollado abundante teoría de tal forma
que la ciencia de los polímeros es hoy día ya
una ciencia aplicada y no una tecnología mera
mente empírica.
2.2 MATERIALES POLIMERICOS. Los materiales poliméricos despliegan
propiedades que son únicas cuando se
comparan con otros materiales, a los cuales
han desplazado, ya que ofrecen ventajas
importantes, como menor peso, resistencia a
la corrosión, facilidad para fabricar piezas con
geometrías complejas y menor costo total de
fabricación, entre otras. Existen muchos
polímeros naturales, pero el hombre ha sido
capaz de crear una cantidad innumerable de
materiales poliméricos sintéticos en diversas
propiedades y características, por esta razón
los encontramos en casi cualquier producto.
Los polímeros son un grupo muy grande y
variado de materiales que consisten en
diversas combinaciones y formulaciones de
carbono, oxigeno, nitrógeno, hidrogeno y
otros elementos. En su aplicación final la
mayoría de los polímeros se encuentran en
estado sólido, pero en ciertas etapas de su
existencia se forman haciéndolos fluir
mediante la aplicación de calor y/o presión.
En general los polímeros presentan una
variedad muy amplia de propiedades físicas,
mecánicas, térmicas y químicas pero algunas
de las más representativas son las siguientes:
Son conductores térmicos deficientes.
Presentan una gama muy amplia de
dureza, rígida y flexible.
Son buenos aislantes eléctricos.
Tienen una densidad relativamente baja.
Algunos tienen buena resistencia a la
intemperie.
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Otros son capases de impedir la
propagación de la flama.
Se modifican con facilidad para lograr
propiedades requeridas.
Los polímeros abarcan materiales tan
diversos como los plásticos, el hule y los
adhesivos; son moléculas orgánicas en
cadena con pesos moleculares tan elevados
que pueden llegar a 1 000 000g/mol, dado de
un polímero es un material formado por
muchas pares denominadas monómeros. Los
monómeros son moléculas formadas por una
combinación única de átomos; algunos
ejemplos pueden ser los monómeros de
etileno, estílenos, cloruro de vinilo, propileno
etc. mediante el proceso de polimerización se
generan fuerzas de atracción muy fuertes que
unen a los monómeros formando largas
cadenas poliméricas, y el conjunto de una
gran cantidad de estas cadenas de como
resultado un material polimérico con
Propiedades únicas. Algunos ejemplos de la
producción de monómeros y la polimerización
se pueden ver en las figuras 1.1 y 1.2
respectivamente.
Las cadenas poliméricas pueden constituirse
de varias formas: con monómeros de un solo
tipo llamados Homopolímero, con
monómeros de dos tipos denominados copo
limeros, y con monómeros de tres tipos como
los termo polímeros etc. (fig. 1.3 y 1.4).
A su vez, los polímeros que contienen más de
un solo tipo de monómeros pueden
construirse alternando diferentes tipos de
monómeros en la misma cadena polimérica
central con un solo tipo de monómero y
ramificaciones que crecen de la cadena
central con otro tipo de monómero (véase fig.
1.5). También existen aleaciones poliméricas,
las cuales se fabrican simplemente
mesclando dos o más polímeros; en este
proceso no hay una reacción química a
diferencia de los copo limeros y los termo
polímeros, en los que se involucra una
reacción química para su síntesis.
El cuadro 1.1 presenta algunos ejemplos de
polímeros clasificados en la manera en que se
constituyen sus cadenas poliméricas a partir
de diferentes monómeras.
Cuadro 1.1 ejemplos de polímeros clasificados por su
construcción.
Clasificación Polímero
Homopolímero Polietileno
Poliestíreno
PVC
Copolímero
ramificado
Estireno-acrinolitrino
Estireno-butadieno
Termopolímero Acrilonitrilo - butadieno-estireno
Mezcla PC/ABS
ABS/PVC
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Figura 1.1. Síntesis del monómero de etileno
Figura 1.2. Síntesis del polietileno
Figura 1.3. Construcción de Homopolímero distintos.
Figura 1.4. Construcción de Copolímeros y Termopolímeros
Figura 1.5. Construcción de copolimeros por bloques y ramificaciones
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2.3 POLIMEROS TERMOPLASTICOS Y
TERMOFIJOS. Los polímeros se clasifican por lo común de
una manera un tanto subjetiva en polímeros
“comodities”, de ingeniería y de
especialidad, dependiendo de qué tan
resistentes sean sus propiedades mecánicas,
térmicas, eléctricas etc. y del tipo de
aplicaciones en el que generalmente se
utilizan. Otra manera de clasificarlos radica en
la forma en que las moléculas se sintetizan,
pero también pueden clasificarse en función
de su estructura molecular o de acuerdo con
su familia química. El método más usado se
basa en su estructura y su comportamiento, y
a partir de este es posible clasificarlos a gran
escala en polímeros termo fijo y polímeros
termoplásticos, como puede verse en la figura
1.6.
El polímero termofijo se produce mediante
una reacción química de dos etapas. La
primera etapa produce moléculas de cadenas
largas como sucede con los termoplásticos,
pero estas aún pueden seguir reaccionando.
La segunda etapa ocurre durante el proceso
del moldeo, normalmente mediante la
aplicación de calor y presión. Cuando la parte
moldeada se enfría, se vuelve rígida y forma
en términos moleculares una estructura, (una
retícula) con uniones permanentes muy
fuertes entre sus cadenas moleculares que no
pueden ser destruidas mediante la aplicación
de calor, a menos de que se degrade el
polímero.
Por todo lo mencionado, un polímero termofijo
solo cuenta con una oportunidad para
fundirse, moldearse y solidificarse. Algunos
ejemplos de polímeros termo fijos son los
fenoles, los epóxicos, la melanina y algunos
poliésteres.
Figura 1.6 Clasificación de los polímeros
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Endurecen bajo la acción del calor y la
presión, y su endurecimiento es irreversible
por haber sufrido una modificación en su
estructura química a nivel molecular; ya no se
pueden remodelar o ablandar bajo la acción
del calor y presión. Entre los más importantes
se encentran las siguientes:
Resinas fenólicas. Se obtienen de la
combinación del fenol, o acido fenico con
formaldehido. Tienen un olor característico
a acido fenico, perceptible incluso en las
piezas obtenidas de ellas, particularmente
si se calientan. Estas resinas suelen
utilizarse mezcladas con cargas de relleno,
las cuales mejoran algunas de sus
características físicas, y se emplean como
material eléctrico: mangos de interruptores,
clavijas, carcasas, cajas diversas, etcétera.
Resina úrica. Tiene como materia básica
la urea sintética y el formaldehido. No da
ningún olor, y se emplea como material
eléctrico (interruptores, clavijas etc.),
placas aislantes, artículos de cocina,
etcétera.
Resinas melaminicas de melanina.
Están compuestas principalmente de
melanina (obtenida del carburo de calcio y
nitrógeno) y el formaldehido. No tiene olor,
y su empleo es similar alas resinas úricas.
Resinas de poliéster. Se derivan del
alquitran de hulla y del estirol. Son
incoloras, aunque se pueden colorear a
voluntad; se utilizan con cargas de fibra de
vidrio, las cuales les proporcionan
considerable resistencia. Su empleo para
cascos en embarcaciones, carrocerías de
automóviles y placas transparentes para
cubrirlas, y además se utilizan como
pinturas muy duras.
Poliuretanos. Están formados por un
poliéster y un derivado de benzol. Son
materiales sintéticos que proporcionan
productos de gran elasticidad: goma,
espuma, correas etc. Se emplean como
pegamento de metales y como barniz de
gran dureza.
El polímero termoplástico está formado por
cadenas moleculares muy largas que se
mantienen unidas entre sí por fuerzas
relativamente débiles, del tipo de Van der
Waals. Cuando el polímero se calienta las
fuerzas intermoleculares se debilitan, por lo
que el polímero se vuelve suave y flexible y a
altas temperaturas, se funde. Un polímero
termoplástico puede fundirse, moldearse y
solidificarse en varias ocasiones; durante su
proceso de moldeo no sucede una reacción
química, sino que solo lleva consigo cambios
físicos, como los cambios de fase, por lo que
estos polímeros pueden reciclarse. Algunos
ejemplos de polímeros termoplásticos son el
polietileno, el poli estireno, el PVC, el nylon, el
acetal y el policarbonato.
Los polímeros termo fijos generalmente tiene
mayor resistencia térmica, menor creep
(fluencia) y mayor resistencia química, y
requieren en general procesos más
complicados para transformarse en
comparación con los polímeros
termoplásticos. La figura 1.7 muestra el
ordenamiento de las moléculas de un
polímero termoplástico, mientras que la figura
1.8 presenta las moléculas de un polímero
termo fijo y la formación de la retícula con
uniones permanentes.
Figura 1.6 Polímero termoplástico
12
2.4 POLIMEROS SEMICRISTALINOS Y
AMORFOS. Desde el punto de vista estructural, los
polímeros termoplásticos se describen por lo
común como cristalinos o amorfos (véase
figura 1.6) cuando la manera más precisa es
describirlos por su grado de cristalizad, o sea
el porcentaje relativo de regiones cristalinas
contra las atmosferas en el material. Los
polímeros no pueden ser 100% cristalinos, ya
que de ser así no podría fundirse debido a su
estructura altamente ordenada; por esto, los
polímeros se consideran materiales
semicristalinos y pueden alcanzar un
máximo de de 80% de cris talidad. El grado
de cristalinidad es una característica inherente
de cada polímero, pero puede modificarse o
controlarse durante os procesos de
polimerización y de moldeo.
Los materiales amorfos carecen de orden
entre sus cadenas moleculares; la estructura
molecular de los polímeros amorfos no se
cristaliza generalmente, aunque en algunos
casos puede representar regiones con cierto
grado de cristalinidad. Los materiales
semicristalinos contienen un porcentaje
elevado (50/80%) de regiones con cadenas
moleculares altamente ordenadas y
fuertemente empacadas, estas regiones
cristalinas pueden variar en forma y en
tamaño con las regiones amorfas.
La longitud de las cadenas poliméricas, así
como el alineamiento de sus átomos en una
estructura repetida, son factores que
contribuyen a su habilidad para cristalizarse
cuando más largas sean las cadenas y menos
alineados se encuentren los átomos más
difícil es que cristalicen y se empaquen. Los
polímeros con columna vertebral compuesta
de carbono y oxígeno, como los acetales,
cristalizan con facilidad. Los materiales como
la poliamida cristalizan de manera diferente
debido a sus cadenas paralelas y a fuertes
enlaces de hidrogeno presentes en los grupos
carbonilos y aminos; el polietileno y el
politetrafluoroetileno (teflón) son
semicristalinos porque sus cadenas
poliméricas son muy simétricas y se alinean
con mucha facilidad. En la fig. 1.9 pueden
observarse las regiones amorfas y las
regiones cristalinas (ordenadas) que forman
pate d los polímeros cristalinos. La figura 1.10
muestra la falta de orden de las cadenas
poliméricas de los polímeros amorfos. Muchas
propiedades de los polímeros se relacionan
íntimamente con su nivel de cristalinidad, y
muchas características y factores repercuten
sobre el grado de cristalinidad de un
polímero.
Figura 1.7 Polímero termófilo.
Figura 1.9 Ordenamiento polímeros semicristalinos
13
El calor les da plasticidad y fluidez, así que se
pueden inyectar a presión en un molde
determinado, adoptando la forma d la cavidad
del molde, se pueden laminar, etc. Los
termoplásticos se pueden neutralizar, por lo
que pueden aprovecharse las piezas
defectuosas, los recortes, etc. De entre los
más importantes se pueden destacar los
siguientes polímeros:
Cloruro de polivinilo.se forma a partir del
acetileno y el ácido clorhídrico, y no tiene
olor. Se emplea como material duro para
carcasas de bombas, válvulas
anticorrosivas, tuberías, y piezas
resistentes a productos químicos. En
estado de baja dureza, encuentra otra
serie de aplicaciones: mangueras, cuero
artificial, impermeables etc.
Poliestíreno. Se obtiene del poliestirol,
derivado del petróleo y del benzol, se
emplea en la fabricación de lanchas,
películas y espumas, ara objetos de
oficina, bolígrafos, plantillas y escuadras.
Poliamidas. Derivan de carbón, no tienen
olor ni sabor alguno y poseen
características mecánicas muy notables,
entre las que destacan su resistencia al
desgaste y su facilidad de mecanizado. Se
utiliza en la construcción de carcasas,
cuerpos de bomba, ventiladores y tapas de
instrumentos eléctricos.
Polietilenos. Son derivados directos de
petróleo, su aspecto y tacto son cerosos,
tienen buena resistencia a los ácidos y son
aislantes eléctricos. Se utilizan en grifería,
válvulas y accesorios para condiciones de
ácidos, tubos, bidones, ruedas de
mentadas y mangos de herramientas.
Polimetacrilatos. Se obtienen a partir del
acetileno. Se caracterizan por su
extraordinaria transparencia, y se emplean
como placas transparentes para
acristalado de carrocerías, cristales de
faros. De relojes y ojos de buey.
Politetrafloretileno. Es un derivado sintético
del acetileno. Su principal particularidad es su
resistencia a la temperatura y a los ácidos,
aspecto en el que solo es comparable con el
vidrio. Se emplea como aislamiento de cables
eléctricos.
El peso molecular es un factor que afecta la
cristalinidad de los polímeros; conforme el
peso molecular aumenta, la cristalinidad
disminuye y las regiones cristalinas son
menos perfectas. El nivel de cristalinidad
también es dependiente del tiempo disponible
para que ocurra la cristalización; algunos
fabricantes de piezas moldeadas usan este
comportamiento mediante procesos de temple
y revenido. Los polímeros d cadenas
moleculares con muchas ramificaciones
tienden a tener menor nivel de cristalinidad,
como el LDPE (polietileno de baja densidad),
que es más cristalino; el LDPE es más
flexible, menos denso y más transparente que
el HDPE. Así mismo los esfuerzos generados
por fuerzas externas aplicadas a las piezas o
durante el proceso de manufactura de estas
pueden aumentar el nivel de cristalinidad de
los polímeros, ya que las cadenas
moleculares pueden alinearse. La duración
del proceso de extrusión y la posición del
punto de inyección en el proceso de molde
por inyección influye también sobre la
orientación de las cadenas poliméricas, y por
tanto, en la cristalinidad. El cuadro 1.2
muestra algunos ejemplos de polímeros
consideraros amorfos y semicristalinos. El tipo
de estructura, amorfa o semicristalina del
Figura 1.10 Cadenas de polímeros amorfos
14
polímero, determinara en gran parte su
comportamiento durante el proceso de
moldeo y durante su servicio como pieza
terminada. El comportamiento de los
polímeros amorfos está influido por la relación
que estos tienen con su temperatura de
transición vítrea. La temperatura de
transición vítrea (T) se define como aquella
a partir de la cual las moléculas cuentan con
cierta libertad de movimiento. Cuando la
temperatura del polímero está por debajo de
la T las moléculas carecen de movimiento y
están prácticamente congeladas en estado
sólido, es decir, el polímero es rígido y tiene
una alta resistencia a la fluencia, pero tiende
ser frágil y sensible a la fatiga. Sin embargo,
cuando la temperatura del polímero esta por
arriba de la T, las moléculas tienen cierta
libertad para moverse, esto es , el polímero es
menos frágil y más tenaz; si la temperatura
continua aumentando la rigidez disminuye en
forma gradual y el material presenta
propiedades elásticas y puede ser procesado
por termo formado, soplado y moldeo por
inyección. Para emplear polímeros amorfos
en aplicaciones de ingeniería deberían tener
una temperatura máxima de servicio por
debajo de su T. lo polímeros semicristalinos
casi no se ven influidos por la temperatura de
transición vítrea; cuando mayor sea su grado
de cristalinidad, meno efecto tendrá la T sobre
el polímero, ya que solo las regiones amorfas
cuentan con T. la temperatura de fusión (T) es
la que tiene mayor influencia sobre los
polímeros semicristalinos. Cuando la
temperatura está por arriba de la T, la rigidez
se mantiene prácticamente igual, pero al
continuar calentando el material, este alcanza
u temperatura de fusión T y la cohesión de las
regiones cristalinas se destruye. Por debajo
de la T, el polímero semicristalino se
encuentra en fase sólida y por arriba de la T
se encuentra en fase liquida de alta
viscosidad; típicamente 30 o 50°C arriba de
su T el polímero cuenta con suficiente fluidez
como para procesarse. La temperatura
máxima de servicio de los polímeros
semicristalinos no es T como en el caso de
los polímeros amorfos, sino T. la tabla 1.1
muestra algunos polímeros amorfos y
semicristalinos junto con su T y su T y
aplicaciones comunes. Hay diferencias
importantes entre el procesamiento de los
polímeros amorfos y y los polímeros
semicristalinos. Los diagramas PVT ayudan a
explicar estas diferencias, ya que son una
presentación condensada de a interrelación
entre tres variables presentes durante el
procesamiento de los polímeros: presión,
volumen y temperatura. El efecto de la
temperatura (T) y el volumen (V) para un
polímero amorfo y un polímero semicristalino
puede observarse en la figura 1.11 y 1.12,
respectivamente.
Figura 1.11. Temperatura vs. volumen en un polímero amorfo.
Figura 1.12. Temperatura vs. volumen en un polímero
semicristalino.
15
Polímero Abreviatura Ts[°C] Tm [|C] Aplicaciones comunes. Polietileno de alta densidad
HDPE
-110
134
Artículos extruidos o moldeados, botellas y contenedores.
Polietileno de baja densidad
LDPE
-110
115
Película flexible para empaque y artículos flexibles extruidos y moldeados.
Poliestireno PS
90-100
-
Artículos extruidos y moldeados que son transparentes y artículos estampados.
Polivinilcloruro PVC
87
-
Artículos extruidos rígidos o plastificados, tubos hojas y perfiles
Polipropileno PP
-10
165
Artículos extruidos y moldeados que son rígidos
Poliamida 6,6 PA 6,6
50
240
Fibras y artículos extruidos rígidos y moldeados rígidos.
Polietilen-teref-talato PET
70
260
Fibras i películas transparentes y resistentes.
Polioximetileno POM
-50
180
Componentes estructurales de ingeniería moldeados, tenaces.
Policarbonato PC
150
-
Artículos moldeados tenaces y transparentes.
Polimetil-metaacrilato PMMA
90-100
-
Hojas transparentes y artículos moldeados.
Politetrafluoretileno PTFE
125
327
Tubería moldeada y bloques sintetizados para maquinado resistente a los solventes.
Tabla 1.1 Polímeros con su abreviación, su Tg, su Tm y sus aplicaciones típicas.
16
Cuando la temperatura de un polímero
aumenta, el volumen específico también
incrementa, debido a la expansión térmica la
pendiente cambia y aumenta en la
temperatura de transición vítrea, puesto que
las moléculas cuentan con mayor libertad
para moverse y ocupan más espacio; este
cambio de pendiente observa tanto en los
polímeros amorfos como en los
semicristalinos. A mayor temperatura la
función de los polímeros semicristalinos está
marcada por un súbito incremento del
volumen específico, y las regiones cristalinas
bien ordenadas y rígidas se desordenan y
adquieren capacidad de movimiento. Por
tanto, el volumen específico es una señal de
los cambios en las estructuras del polímero en
función de la temperatura. Un diagrama PVT
es la representación de las curvas de volumen
especifico versus la temperatura a diferentes
presiones. En las figuras 1.13 y 1.14 pueden
observarse los diagramas PVT de un polímero
amorfo y de un semicristalino,
respectivamente.
En el cuadro 1.3 se encuentran resumidas
algunas características generales
relacionadas con el nivel de cristalidad de un
polímero. Pueden relacionarse las
características generales de los polímeros
semicristalinos y amorfos mostrados en la
tabla 1.4 con las necesidades de diseño de
las aplicaciones en las figuras 1.15 y 1.16,
que ilustran unos engranes de polímero
semicristalino y unas tapas para perfume de
polímero amorfo, respectivamente.
Cuadro 1.3 características generales de los polímeros
relacionas con su estructura.
Mas cristalino Mas amorfo
Mayor resistencia al calor.
Menos resistencia al calor
Temperatura de fundido puntual.
Rango de reblandecimiento
Más opaco. Mas translucido/transparente
Mayor contracción durante el
enfriamiento.
Menor contracción durante el enfriamiento
Menor tenacidad a bajas temperaturas.
Mayor tenacidad a bajas temperaturas.
Mayor estabilidad dimensional.
Menos estabilidad dimensional.
Mayor resistencia química.
Menor resistencia química.
Buena resistencia a la fatiga y al desgaste.
Pobre resistencia a la fatiga y al desgaste.
Menor fluencia (creep) Mayor fluencia (creep)
Figura 1.13 Diagrama PVT de un polímero amorfo
Figura 1.14 Diagrama PVT de un polímero semicristalino
17
2.5 ESTADO LÍQUIDO CRISTALINO. La característica que distingue al estado
líquido cristalino de cualquier otro estado es la
tendencia que tienen sus moléculas (meso
genas) de apuntar hacia un eje común,
conocido como el director. Esto contrasta con
las moléculas en un estado líquido, ya que por
lo común no presentan ordenamiento alguno,
y también con el estado sólido, en el cual las
moléculas son altamente ordenadas y tienen
muy poca libertad de movimiento.
Se le denomina cristal líquido al material
que, aun cuando se encuentra en la fase
liquida y sus moléculas deberían estar en
completo desorden, presenta características
del estado sólido cristalino, es decir, sigue
presentando cierto orden molecular.
El orden y la orientación de las moléculas en
estado líquido cristalino se ubican entre los
presentados en las fases sólidas y las fases
liquidas tradicionales; este es el origen del
término estado meso génico, también utilizado
como sinónimo del estado líquido cristalino.
En la figura 1.17 se muestra la orientación de
las moléculas en estado sólido, líquido y
liquido cristalino.
En algunos casos resulta difícil determinar si
un material se encuentra en estado sólido o
en estado líquido cristalino. Los materiales
sólidos presentan un orden periódico en tres
Fig. 1.15 Engranes de polímero semicristalino
Figura 1.16 Tapas para perfume de polímero amorfo
Figura 1.17 Estado solido, liquido cristalino y liquido
18
dimensiones, por definición, un líquido
isotrópico no presenta orden alguno. A los
materiales que no están ordenados como los
sólidos, pero que tienen cierto grado de
aleación se les puede llamar cristales
líquidos. Para cuantificar la cantidad de
ordenamiento presente en un material se
define un parámetro de ordenamiento (S)
COMO:
S= (1/2)[3cos²o-1]
Donde delta es el ángulo entre el director (ñ) y
el eje mayor de cada molécula (figura 1.18) y
los corchetes representan el promedio de
todas las moléculas de la muestra.
El valor de parámetro de ordenamiento de un
líquido isotrópico es de cero, el de un cristal
perfecto es de 1 y los valores típicos para los
líquidos cristalinos se encuentran entre 0.3 y
0.9. La tendencia que presentan las
moléculas del líquido cristalino es de apuntar
a lo largo de la dirección del ángulo director,
por lo que s produce una condición de
anisotropía. La anisotropía se refiere a que
las propiedades de un material dependen de
la dirección en que se midan.
Los materiales de cristal líquido pueden
clasificarse en dos grandes categorías:
materiales de cristal líquido termo trópicos y
materiales de cristal líquido lio trópicos. Los
termo trópicos se caracterizan por que la
transición a estado líquido cristalina es
inducida térmicamente; se puede llegar al
estado líquido cristalino mediante el aumento
de la temperatura de un sólido y/o la
disminución de la temperatura de un líquido.
Los liotrópicos se caracterizan por que la
transición a estado líquido cristalino ocurre
bajo la influencia de solventes y no con un
cambio de temperatura.
2.6 POLIMEROS DE CRISTAL
LÍQUIDO. Los polímeros de cristal liquido forman parte
de la familia de los polímeros termoplásticos,
junto con sus polímeros amorfos y los
semicristalinos (véase figura 1.6). los
polímeros de cristal liquido son materiales
formados por macromoléculas que combinan
las propiedades de los polímeros con las del
cristal liquido; estos híbridos cuentan con las
mismas características de los cristales
líquidos, pero retienen muchas de las
propiedades útiles y versátiles de los
polímeros.
Para que los polímeros desplieguen
características de los cristales líquidos, los
mesógenos deben incorporarse a sus
cadenas. Hay dos formas en las que se
pueden colocar los mesógenos: en la cadena
molecular formando parte de la misma cadena
principal o conectándose a un costado de la
cadena principal, como puede verse en la
figura 1.19.
Figura 1.18 Parámetro de ordenamiento S
Figura 1.19 Estructura de cadenas moleculares
19
Los polímeros que contiene los mesógenos
dentro de la cadena principal se forman
cuando elementos rígidos se incorporan a la
cadena principal del polímero. Estas regiones
rígidas a lo largo de la cadena permiten que el
polímero se oriente en una manera similar a
los cristales líquidos ordinarios, por o que
despliegan características de los cristales
líquidos. Algunos ejemplos de estos polímeros
y sus monómeros pueden apreciarse en la
figura 1.20 y 1.21.
Los polímeros que tienen conectados los
mesógenos a los costados de la cadena
principal son mucho más versátiles, dado que
las estructuras pueden variar de muchas
formas.
Al igual que los cristales líquidos los
polímeros de cristal líquido se divide también
en liotrópicos y termotrópicos.
a) Los polímeros de cristal líquido
liotrópicos fueron desarrollados en 1967 y
tienen las siguientes características:
temperatura de fusión alta(hasta 700°C),
temperatura de fusión mayor a la
temperatura de degradación, y únicamente
pueden procesarse en solución y
extrudirse como filamentos.
b) Los polímeros de cristal líquido
termotrópicos fueron desarrollados en
1998, y presentan las siguientes
características: temperatura de fusión
entre 250 y 400°C, temperatura de fusión
menor a la temperatura de degradación,
pueden procesarse en esto fundido por
extrusión o moldeo por inyección.
Los polímeros de cristal líquido termo trópicos
son materiales plásticos resistentes. Estos
plásticos están construidos a base de
monómeros de poliéster completamente
aromáticos, y no pierden cristalinidad u
ordenamiento molecular, aun cuando se
encuentren en estado fundido, a diferencia de
los polímeros semicristalinos convencionales,
que cuando están en estado fundido lo
pierden; esto permite que la fluidez del
polímero sea muy alta, como puede
observarse en la (figura 1.22.)
Cuando los polímeros de cristal liquido termo
trópicos se sujetan a esfuerzos cortantes por
fricción, las cadenas moleculares alineadas
en la misma dirección se deslizan entre si y se
alinean aún más. A su vez, esto produce un
comportamiento aniso trópico de las
propiedades, siendo superiores aquellas en la
dirección d flujo, y aun más si se someten a
esfuerzo cortante. (fig. 1.23).
Algunas ventajas de los polímeros de cristal
líquido termo trópico consisten en que tienen
un nivel extraordinario de orientación, lo cual
promueve altos niveles de resistencia y
rigidez. Su estructura genera propiedades
mecánicas buenas con un bajo peso
molecular. Las uniones fuertes entre cadenas
moleculares proveen de buena retención de
propiedades a temperaturas elevadas. Los
anillos aromáticos de su cadena molecular les
dan excelente resistencia, estabilidad química
y baja inflamabilidad. Los altos niveles de
ordenamiento molecular y de fuerzas entre
cadenas
Figura 1.20 Acido Hidroxinaftoico.
Figura 1.21 Polifenilen tereftalamida
20
moleculares confieren baja solubilidad,
excelente resistencia a solventes y baja
permeabilidad a estos polímeros. Los valores
reducidos de calor de cristalización permiten
ciclos de moldeo muy rápidos y una
contracción muy baja. La baja viscosidad de
fundido a altos valores de esfuerzo constante
permiten que se moldeen por inyección partes
muy delgadas.
Por otro lado presentan también un
coeficiente muy bajo de expansión térmica
lineal. Algunas desventajas de los polímeros
de cristal liquido termo trópicos son que
pueden ser extraordinariamente aniso
trópicos; algunas propiedades pueden llegar a
diferenciarse por ejemplo de 5 a 10 veces
entre la dirección paralela al flujo y la
transversal. Se requieren altas temperaturas
para poder procesarse y están propensos a
generar líneas de unión débiles debido a su
alta orientación molecular.
Es difícil medir piezas mediante el uso de
adhesivos convencionales y tiene poca
resistencia a la hidrolisis por arriba de los 120
°C de temperatura. El cuadro 1.4 muestra
algunas ventajas y limitaciones que tienen
estos polímeros. La figura 1.24 presenta la
deformación por flexión del polímero de cristal
líquido termo trópico a través del tiempo y a
varias temperaturas comparado con otro
polímero de ingeniería; esto da una idea de la
retención de las propiedades de este
polímero.
Cuadro 1.4 Ventajas y limitaciones de los polímeros de
cristal liquido.
VENTAJAS LIMITACIONES
Alta temperatura de servicio
Líneas de unión débiles.
Combinación de rigidez, resistencia y tenacidad.
Resistencia a la hidrolisis 120°C máximo
Retardante a la flama inherente
Baja absorción de humedad.
Excelente resistencia química.
Retención de propiedades temperatura y tiempo.
Bajo coeficiente de expansión térmica.
Alta resistencia a la radiación.
Alta fluidez.
Transparente a as microondas.
Excelente barrera a los gases.
Puede metalizarse.
Figura 1.22 Viscosidad vs. temperatura de diferentes polímeros
fundidos
Figura 1.23 Modulo de flexión vs. temperatura del polímero de
cristal liquido
21
Los polímeros de cristal líquido termo trópico
deberán considerarse para aplicaciones que
requieren buen desempeño a altas
temperaturas, estabilidad dimensional,
resistencia química, excelentes propiedades
eléctricas y facilidad para reciclar. Algunas
industrias donde ya se utilizan estos
polímeros son la eléctrica, y la electrónica, la
automotriz, la aeroespacial y la de
electrodomésticos. A continuación se
mencionan algunas aplicaciones comunes en
que se ha probado el desempeño de los
polímeros de cristal líquido termo trópicos:
1. Porta focos de halógeno. Se desplazó la
cerámica por polímero de cristal líquido
porque es más tenaz que la cerámica y
permite el ensamble rápido. (fig. 1.25).
2. Conectores para termocoples. Se utilizó
el polímero de cristal líquido por su
colorabilidad, tenacidad, resistencia
mecánica y química, estabilidad
dimensional y desempeño a altas
temperaturas (fig. 1.26).
3. Cuerpos para bobina eléctrica. Se
empleó polímero de cristal líquido por su
tenacidad, autoextinguibilidad (v-0 norma
de inflamabilidad UL94), resistencia
térmica, resistencia mecánica en un rango
amplio de temperaturas y procesos de
moldeo por inyección sin dejar rebabas en
secciones delgadas de la pieza (fig. 1.27).
4. Conectores eléctricos. Se usó polímero
de cristal líquido por ser auto extinguible
(V-0 norma de inflamabilidad UL94), por su
alta fluidez resistencia y estabilidad
térmica, alta resistencia mecánica, y
tolerancias muy cerradas (fig. 1.28).
Figura 1.24 Deformación por flexión vs. tiempo de varios polímeros
Figura 1.25 Portafocos de halógeno
Figura 1.26 Conectores para termocople
Figura 1.27 Cuerpos para bobina
Figura 1.28 Conector eléctrico.
22
2.7 Elastómeros
En ocasiones se consideran otro tipo de
polímeros llamados elastómeros, que son
materiales flexibles de modulo elástico
pequeño de tal modo que pueden estirarse
hasta al menos dos veces su longitud original
y luego, al eliminar el esfuerzo aplicado,
recuperan aproximadamente esta longitud.
Hay varios tipos de elastómeros naturales,
como los cauchos, y de elastómeros
sintéticos, como el látex y el neopreno, que
adquieren propiedades mediante el proceso
de vulcanización; esta última genera la
formación de enlaces transversales entre las
cadenas moleculares de elastómero termo
fijos, con el fin de hacerlos duros y difíciles de
deformar.
En la actualidad los elastómeros termos fijos
están siendo remplazados por los
termoplásticos sintéticos que presentan
grandes deformaciones a esfuerzos mínimos.
Los elastómeros termoplásticos tienen una
temperatura de transición vítrea menor que la
temperatura a la cual se aplican, y sus
cadenas moleculares están enrolladas;
cuando se aplica un esfuerzo, la cadena
macromolecular se desenrolla y la longitud de
extremo a extremo puede ser varias veces
mayor que la longitud de la cadena enrollada
antes de aplicarse cualquier esfuerzo.
Son capases de deformarse en grandes
magnitudes sin cambiar de forma de manera
permanente. Los elastómeros típicos son
polímeros amorfos que no cristalizan con
facilidad al aplicar una fuerza. Los
elastómeros termoplásticos no se basan en
los enlaces cruzados para producir gran
cantidad de deformación elástica. Se
comportan como termoplásticos a
temperaturas bajas. Este comportamiento
permite que se puedan reciclar con mayor
facilidad que los elastómeros convencionales.
2.8 ADHESIVOS. Son polímeros que se utilizan para unir otros
polímeros, metales, materiales cerámicos,
compuestos o combinaciones de todos los
anteriores. Los adhesivos se utilizan para
diversas aplicaciones y se pueden clasificar
en:
Químicamente reactivos.se tienen
sistemas de un solo componente,
formados por una sola resina polimérica,
que se cura por exposición a algún factor:
humedad, calor o ausencia de oxígeno.
Los sistemas de dos componentes se
curan al combinarse dos resinas.
Por evaporación o por difusión. el
adhesivo se disuelve y se aplica a las
superficies que se van a unir. Al
evaporarse el portador el polímero restante
proporciona la unión. Los adhesivos a
base de agua son preferidos tanto por la
seguridad que representa como un punto
de vista ecológico. El polímero puede estar
totalmente disuelto en agua; o puede estar
formado de látex, es decir, como una
dispersión estable del polímero en el agua.
De fusión por calor. Son polímeros
termoplásticos y elastómeros
termoplásticos que se funden al
calentarse. al enfriarse el polímero se
solidifica, uniendo las partes. Sus
temperaturas de fusión comunes son de
aproximadamente 80 a 110°C, lo cual
limita su uso a temperaturas elevadas.
Sensibles a la presión. Son
principalmente elastómeros o copo limeros
de elastómero que se producen en forma
de película o recubrimiento. Requieren
presión para adherirse al sustrato, y se
utilizan para producir cintas aislantes
eléctricas y de empaque, etiquetas, losetas
de piso, recubrimientos para muros y
películas texturizadas imitación madera.
Conductores. Son polímeros a los que se
agrega un material de relleno que
proporcione conductibilidad eléctrica y
térmica, como partículas de plata, cobre o
aluminio. Cuando se desea conductividad
eléctrica, pero no térmica o viceversa, se
puede usar polvo de aluminio, berilio,
nitruro de boro o silicio, además es posible
crear polímeros con buena conductividad:
agregando compuestos iónicos que
reducen la resistividad, disipando la carga
23
estática al usar un relleno de material
conductor, o con matrices poliméricas que
contengan fibras de carbono o carbono
recubierto de níquel, lo cual combina
rigidez con conductividad mejorada.
Algunos polímeros tienen buena
conductividad inherente como resultado d
diversas técnicas de dopado (que consiste
en agregar de manera intencional un
pequeño número de átomos de impurezas
en el material)o de proceso.
2.9 PROCESAMIENTO DE POLÍMEROS. Es importante entender los principios de
procesamiento de polímeros, ya que las
condiciones del proceso repercuten en las
propiedades de los materiales poliméricos en
general y restringen las posibilidades que se
tienen para diseñar piezas de plástico.
Por lo común, los procesos de transformación
de polímeros termoplásticos son los que
participan en la conversión de “pellets” a
productos de uso práctico. Todos los
procesos de transformación observan tres
fases: plastificación, formado y solidificación.
La plastificación es el proceso por el cual el
material pasa del estado sólido al estado
plástico utilizando energía calorífica. El equipo
necesario para plastificar el polímero se
denomina unidad de plastificación, y la
energía calorífica requerida para la fusión del
polímero proviene de dos fuentes: la principal
del movimiento del husillo y 20%
aproximadamente de las bandas calefactoras.
Unas ves fundidas la masa se necesita
transportarla con cierta velocidad y presión
hacia la herramienta de forma o moldeo para
obtener una geometría preestablecida. El
formado es la etapa en la cual el polímero
formado y fundido pierde energía calorífica
conducida a través de la herramienta,
solidificándose con la geometría del producto
final. Entre los procesos más comunes se
encuentra la extrucción – soplado, la
sobreextrucción , el termo formado, la
inyección, la sobre inyección, la inyección
corazón fundible, la inyección soplado, el roto
moldeo y el modelo por inyección.
2.10 MOLDEO POR INYECCIÓN. El
moldeo por inyección es sin duda el proceso
más utilizado para fabricar piezas de
polímeros termoplásticos, y se emplea para
formar piezas en tres dimensiones y con
mucho detalle. Es el proceso por el cual se
hace pasar el polímero fundido a través de un
orificio, denominado punto de inyección, hacia
el interior de un moldeo cerrado por dos o
más bloques y en cuya línea de cierre o
partición se separan los elementos del molde.
Los moldes se fabrican por lo común con
aceros endurecidos, pero en algunos casos,
son también el aluminio o epóxido,; esta
selección se determina según el núcleo de
piezas que van a fabricar. Las máquinas de
inyección se refieren en general por su
capacidad de disparo en onzas y su
capacidad de cierre del molde en toneladas.
Debido a su alta viscosidad, los polímeros
fundidos no pueden verterse dentro de un
molde solamente por el efecto de las fuerzas
de gravedad, sino que deben inyectarse
dentro de una cavidad mediante la aplicación
de grandes fuerzas transmitidas por un
embolo. Aun cuando el molde está lleno de
polímero fundido, este se contrae al comenzar
a solidificarse, por lo que se necesitara
remplazar el volumen perdido con polímero
fundido adicional mediante el empaque de la
cavidad y así reproducir de forma adecuada
las superficies internas del molde.
El número de artículos que puede fabricarse
mediante el moldeo por inyección es muy
grande, como las defensas de los
automóviles. La mayoría de los polímeros,
tanto termoplásticos como termo fijos, pueden
moldearse por inyección.
El equipo de moldeo por inyección consta
de dos partes, la unidad de inyección, y la
unidad de moldeo (fig. 1.29). La función de la
unidad de inyección estriba en fundir el
polímero e inyectarlo entro del molde. Las
unidades de inyección contienen un tornillo,
que además de rotar, se mueven en dirección
axial. Si el tornillo rota, actúa como un tornillo
24
de extrusión, fundiendo y bombeando el
polímero. Cuando se mueve axialmente,
actúa como un embolo de inyección. La
función de la unidad de moldeo consiste en
sostener el molde de inyección, abrirlo,
cerrarlo y expulsar las piezas terminadas.
El ciclo del moldeo por inyección se describe
de la siguiente manera. El tornillo de la unidad
de inyección se mueve hacia adelante y llena
la cavidad del molde con polímero fundido, y
mantiene el polímero inyectado bajo alta
presión lo que se le conoce como tiempo de
sostenimiento. Una válvula check en un
extremo del tornillo previene que el polímero
fluya de regreso al tornillo. Durante el tiempo
de sostenimiento se inyecta polímero fundido
adicional, contrarrestando la contracción del
polímero causada por el enfriamiento y la
solidificación. El punto de inyección que es la
entrada estrecha a la cavidad del molde,
solidifica aislando la cavidad de la unidad de
inyección. Enseguida de la solidificación del
punto de inyección comienza a girar el tornillo,
y el polímero extruido fundido por este
movimiento se aloja en el espacio cilíndrico
que se incrementa enfrente del tornillo debido
hacia su movimiento axial hacia atrás.
Después de generar suficiente polímero
fundido para la próxima inyección, el tornillo
deja de rotar, y el molde se abre, expulsa las
partes moldeadas y se cierra para comenzar
un nuevo ciclo. En la figura 1.30 puede verse
el ciclo completo del moldeo por inyección.
Un típico molde de inyección esta forado por
al menos dos partes: una es movible para que
pueda abrirse y cerrarse durante diferentes
etapas del ciclo de moldeo, y la otra es fija
(fig. 1.31). El molde entero se mantiene a una
temperatura constante por debajo de la Tg o
la Tm, dependiendo el tipo de polímero. El
polímero fundido sale por la boquilla de la
unidad de inyección y fluye a través del
bebedero del molde, el sistema de colada, y el
punto de inyección, hacia el volumen de
moldeo, que se encuentra formando dentro
del molde. Cada uno de estos elementos
estructurales del molde desempeña una
función bien definida y afecta el proceso de
moldeo (figura 1.32). El bebedero
representa la entrada al molde, y no debe
generar demasiada resistencia al flujo al
mismo tiempo que el polímero debe solidificar
con rapidez, una vez que se haya completado
la inyección, y la pieza inyectada debe
expulsarse del molde con facilidad. El
bebedero debe hacer la transición entre la
boquilla de la unidad de inyección y el sistema
de colada. Todas estas funciones se logran
con una forma cónica divergente.
Figura 1.30 Ciclo del moldeo por inyección
Figura 1.29 Maquina de inyección
25
Las funciones del sistema de colada radican
en transmitir el polímero fundido a las
cavidades y esto debe hacerse con la menor
cantidad de material y caída de presión
posible. Por tanto, la longitud de la colada
debe mantenerse al mínimo y la sección
transversal debe ser la más óptima para
disminuir la caída de presión, el volumen de
material y la velocidad de enfriamiento, con
efecto de evitar la solidificación prematura.
Por lo general, la colada es alrededor de 1.5
veces el espesor de la pieza moldeada y tiene
una sección transversal circular que minimiza
la perdida de calor y facilita su maquinado. En
ocasiones se puede ahorrar polímero y tener
ciclos más cortos si se emplean sistemas de
colado caliente, los cuales se caracterizan por
mantener el polímero fundido dentro de la
colada mediante el uso de unidades
calefactoras alrededor de ella dentro del
molde.
El punto de inyección controla el flujo del
polímero fundido dentro de la cavidad del
molde. Su tamaño, forma y posición resultan
afectados por varias consideraciones. Un
punto de inyección estrecho conviene desde
el punto de vista que es más fácil separar la
colada de la parte moldeada, así como por la
solidificación después de haber completado la
inyección para aislar la cavidad del resto del
sistema. Un punto de inyección demasiado
estrecho puede ser contraproducente en el
acabado de la pieza, ya que genera
demasiado esfuerzo cortante sobre el
polímero y eleva su temperatura durante la
inyección. En términos generales, el espesor
del punto de inyección debe tener la mitad del
espesor de la pared donde se encuentra
colado, y ser incrustado de manera que el
flujo choque contra una pared. En la figura
1.33 se pueden observar diferentes tipos de
puntos de inyección. Los polímeros termo fijos
se moldean por inyección con unos cuantos
cambios de menor importancia; casi cualquier
maquina normal para moldeo de
termoplásticos puede convertirse en una
máquina de moldeo “por chorro” para termo
fijos. La parte más importante de la maquina
Figura 1.31 Molde de inyección.
Figura 1.32 Vista superior de molde para inyección
Figura 1.33 Puntos de inyección con diferentes configuraciones
26
es la boquilla; el polímero que entra por la
boquilla debe calentarse y enfriarse durante el
ciclo de moldeo. Primeramente se calienta la
resina en el cilindro del embolo, que será la
fuerza al pasar al molde a través de la
boquilla. El moldeo “a chorro” puede ser
remplazado por la máquina de inyección
usada en materiales termoplásticos: el
material se alimenta por giro del tornillo
alternativo, donde es calentado por el
contacto con el cilindro y por la fricción de la
rotación del tornillo. Como el tornillo gira, el
material plastificado se prepara adelante
siendo bloqueado desde la entrada de la
cámara de transferencia por el embolo en la
posición superior, hasta que se acumula una
cantidad suficiente de material. El embolo
retorna a la posición inferior y el tornillo, sin
girar, se desplaza formando al material a
entrar en la cámara de transferencia, donde el
embolo empuja ascendiendo hasta las
cavidades del moldeo. El pre curado del
material es prevenido por una banda
refrigerada por agua alrededor y al final del
cilindro.
2.11 EXTRUSION. Los materiales termoplásticos como el
polietileno, el poli estireno, el polipropileno y el
nylon entre otros, pueden extrudirse mediante
matrices en formas simples de cualquier
longitud. Con material granulado o
pulverizado se alimenta la tolva, forzando el
material a través de una cámara de
calentamiento por medio de un rasco (fig.
13.34). En la cámara el material se convierte
en una masa viscosa que pasa a través de la
matriz, el material es enfriado,
endureciéndose de manera gradual. En esta
forma, se producen con facilidad tubos,
varillas y secciones. Los materiales termo fijos
no se adaptan a este tipo de extrusión por que
se endurecen rápidamente; sin embargo. Su
uso se limita a la producción de paredes
gruesas de tubos.
Una máquina para extrusión de materiales
termo fijos (termofraguantes) utiliza un embolo
en lugar de un tornillo, para forzar el material
a través de la matriz. El material es
alimentado por una tolva que se encuentra
atrás del cilindro, y por medio de la cadena
del embolo se fuerza a entrar en la matriz
cuyas zonas son previamente calentadas. El
calor adicional resulta de la resistencia de
fricción cuando el material es forzado a
atravesar el cilindro y la matriz. El curado
queda completo cuando se llega a la parte
final de la extrusión. Por este método, puede
fabricarse productos como tubos, varillas,
molda duras, rodamientos y engranes.
2.12 MOLDEO POR SOPLADO.
Se usa principalmente para producir objetos
huecos de paredes delgadas de materiales
termoplásticos. En el proceso de moldeo por
soplado se realiza la extrusión de matriz
fundida en la forma de un tubo vertical que se
sujeta entre las dos mitades del molde. Este
tubo se infla con aire para que adquiera la
forma del molde. Luego se enfría y se retira el
recipiente ya totalmente formado. Para
recipientes grandes, el polímero fundido debe
extrudirse muy rápidamente o se deformara
debido a la gravedad. Esto se le llama
extrusión intermitente, ya que por lo común
Figura 1.34 Maquina de extrucción
27
produce uno o dos recipientes durante cada
ciclo de máquina. Para recipientes más
pequeños como embaces para producto
lácteo y jugos de fruta, hay maquinas que
pueden producir hasta 16 recipientes a la vez.
Esto permite procesar una alta cantidad de
recipientes para alcanzar la amplia demanda
de la industria. El soplado se utiliza para
fabricar pequeñas botellas para productos
domésticos y de cuidado personal, productos
lácteos y bebidas carbonatadas; pequeños
contenedores para productos industriales o
químicos, tanques de combustible, tanques
grandes, tambores y tableros de automóviles,
entre otros productos.
1. Moldeo por soplado de extrusión
continua. En este proceso un extrusor
estático plastifica y empuja el polímero
fundido a través del cabezal para formar
una pieza continua. Para moldeo por
soplado de partes de gran tamaño se usan
acumuladores para evitar el pandeo de la
pieza soplada.
2. Moldeo por soplado intermitente. El
fundido se acumula en un barril y se
impulsa hacia afuera en un solo disparo. El
molde por soplado intermitente se emplea
entre otras aplicaciones en la fabricación
de botellas para lácteos, por su alta
velocidad de producción.
3. Moldeo por soplado de coextrusión.
Posibilita la combinación de materiales con
diferentes materiales para crear un
producto final más adecuado para una
aplicación más especifica. Este proceso
puede utilizarse para fabricar productos
que contienen varias capas en sus
estructuras de pared. Las diversas partes
de la estructura pueden optimizarse para el
mejor equilibrio entre propiedades y costo.
4. MOLDEO POR SOPLADO POR
INYECCIÓN. Comienza con un
preformado moldeado por inyección, que
luego se recalienta y se utiliza soplado
para darle su forma final en un molde.
5. Moldeo por soplado por inyección y
estiramiento. Inicia con un preformado
moldeado por inyección, que se recalienta
y se estira con un cilindro mientras
simultáneamente se sopla en un molde.
Este proceso de conversiones se utiliza
por lo general para producir botellas PET.
6. MOLDEO POR SOPLADO POR
SOPLADO EN 3D. es un desarrollo
reciente en el que un brazo robótico se usa
para posicionar la preforma en un molde
tridimensional antes de ser soplado. Las
ventajas son poca cantidad de recortes y la
posibilidad de producir formas complejas.
En general se emplea para producir
autopartes.
2.13 TERMOFORMADO. Consiste en calentar una lámina de material
termoplástico hasta ablandarla para reforzarla
conforme algún molde a presión de aire
diferencial o medio mecánico. Durante este
proceso se presiona la lámina contra el molde
y se aplica un vacío a este para moverla
contra el molde y formarla de acuerdo con el
contorno. En la mayoría de las ocasiones se
usa un molde inferior (macho o hembra), y
para formas muy complicadas se puede
utilizar un contra molde superior. En su forma
más elaborada, los productos obtenidos por
termo formado pueden alcanzar tolerancias
exigentes, detalles bien definidos y
especificaciones estrictas. Cuando se utilizan
técnicas avanzadas de terminación o
acabado, los termo formados de alta
tecnología pueden alcanzar resultados
similares a los productos obtenidos mediante
el moldeo por inyección. Se cuenta con varias
técnicas de termo formado:
1. Formado libre por presión diferencial.
Aquí se usa presión de aire diferencial y no
se requieren los moldes “macho y
hembra”.
2. Formado al vacío con empuje de
retorno. Después de que se ha sujetado la
lamina caliente, se crea un vacío en la
cámara que hace que la maquina sea
absorbida abajo, luego se introduce el
molde “macho” en la hoja formada y se va
reduciendo el vacio gradualmente, lo cual
28
hace que la hoja regrese contra la forma
del molde. Este proceso se utiliza cuando
se desean formas complicadas y no hay un
estricto control en los defectos
superficiales que puedan presentarse.
Usando grasa sintética sobre el molde, se
disminuye de manera notable la tendencia
a la aparición de marcas en la parte
formada.
3. Formado por pliegues. La lámina se
sujeta y se estira sobre el molde, o este es
forzado dentro de la lámina.
POLIMERIZACION.
Como ya se mencionó, se denomina
polimerización al proceso mediante el cual
se forman polímeros a partir de monómeros.
Los enlaces entre los monómeros se crean
por medio de una reacción o más tipos de
reacciones: la polimerización por adición y la
polimerización por condensación.
POLIMERIZACION POR ADICION. Se
caracteriza por la combinación de moléculas
sin que se generen productos secundarios:
las moléculas originales no sufren ningún tipo
de descomposición que forme productos de
reacción que posteriormente deben
eliminarse. En apartados anteriores
mencionamos que, en cuanto se enlazan
unidades de un solo monómero, el producto
resultante es el Homopolímero, como el
etileno, mientras que, cuando se enlazan dos
o más monómeros diferentes, se genera
como producto un polímero. Al concluir la
reacción de polimerización, el material está
constituido por una gran cantidad de
macromoléculas de diferente longitud
compuestas de la misma clase de
monómeros. Para iniciar una polimerización
por adición. Se añade un iniciador al
monómero, y este indicador genera radicales
libres que atraen a uno de los átomos de
carbono de un monómero. Cuando ocurre
esta reacción, el sitio relativo se transfiere a
otro átomo de carbono del monómero, y con
esto se da inicio a la formación de la cadena,
situándose un nuevo monómero en el sitio
reactivo, y de esta manera la cadena se
alarga hasta formar el polímero. Cuando la
polimerización está casi terminada, los pocos
monómeros restantes deben recoger grandes
distancias antes de alcanzar un sitio activo en
el extremo de alguna cadena y, en
consecuencia la velocidad de crecimiento
disminuye. Las cadenas pueden terminarse
mediante dos mecanismos: la combinación,
en el cual los extremos activos de las dos
cadenas se acercan y se combinan
convirtiéndose en una cadena larga; y la
desproporcionarían, en la cual hay una re
disposición de un átomo de hidrogeno y la
creación de un enlace covalente doble, y
durante la cual se generan dos cadenas mas
cortas.
2.14 POLIMERIZACION POR
CONDENSACION. En este proceso, la unión química de dos
moléculas se consigue solo mediante la
formación de una molécula secundaria con
átomos de las dos moléculas para crear una
unión entre estas, lo cual permite que la
polimerización continúe. En este tipo de
polimerización se generan productos de
reacción que deben extraerse de inmediato
para inhibían la polimerización y aparezcan
como impurezas en los productos terminados.
La condensación requieren al menos dos
monómeros distintos, y la longitud de la
cadena del polímero depende de la facilidad
con la cual se puedan difundir los monómeros
hacia los extremos e intervenir en la reacción
de la condensación. El crecimiento de la
cadena termina cuando ya no llegan más
monómeros al extremo de las cadenas.
Hay mecanismos de polimerización
combinados (adición y condensación) en la
formación de algunos polímeros, como los
poliésteres y los poliuretanos: la reacción de
condensación normalmente ocurre primero y
a partir de ella se forma un polímero
relativamente pequeño, que, a su vez, es
capaz de reaccionar en una segunda etapa
por adición con un tercer compuesto que
genere moléculas de polímero más grandes.
29
2.15 GRADO DE POLIMERIZACION. La longitud promedio de un polímero lineal se
representa por su grado de polimerización
(GP), el cual se define como el número de
unidades de repetición dentro de la cadena:
GP= Peso molecular del polímero/peso
molecular de la unidad de repetición.
GP=Mn/Pm
(13.2)
Si el polímero contiene un solo tipo de
monómero, el peso molecular de la unidad de
repetición es el mismo del monómero. Si el
polímero contiene más de un tipo de
monómeros, el peso molecular de la unidad
de repetición será la suma de los pesos
moleculares de los monómeros menos el
peso molecular del subproducto.
El peso molecular promedio por peso de
cadenas se obtiene dividiendo las cadenas en
rangos de tamaño y determinando que
fracción de las cadenas tienen peso molecular
dentro de dichos rangos. El peso molecular
promedio por peso (Mw) es:
Mw = ∑ fiMi
(13.4)
El peso total de polímero se presenta como
Pt, mientras que el peso de las moléculas es
Pi . por otro lado el peso molecular
promedio por numero en cadenas (Mn) se
calcula a partir de la fracción numérica de las
cadenas dentro de cada rango de tamaño:
Mn =∑ XiMi
(13.5)
Este número siempre resulta más pequeño
que el peso molecular promedio por peso, y
es importante mencionar que se pueden
utilizar indistintamente Mwo Mn para calcular
el grado de polimerización de cualquier
polímero.
30
3 MATERIALES METALICOS. Los materiales tienen como característica
una buena conductividad eléctrica y térmica,
alta resistencia, rigidez, ductilidad y
maleabilidad (fig. 2.2). Delos elementos que
figuran en la tabla periódica, alrededor de 80
pueden ser clasificados como metales, y el
enlace que los caracteriza en el enlace
metálico. Todos ellos tienen en común que
sus electrones más externos en un átomo
neutro son cedidos fácilmente. Esta
característica es la causa de su
conductividad, tanto eléctrica, como térmica,
su brillo y su maleabilidad el uso de
materiales puros es limitado, pues son
blandos, o tienden a corroerse. Sin embargo,
al tener una estructura cristalina, aceptan una
cantidad considerable de elementos en
estado sólido o líquido.
Así, la mayor parte de los materiales
metálicos comúnmente usados son
soluciones solidas de dos o más metales
elementales que se integran en la red
cristalina principalmente de manera
sustitucional. Es posible realizar estas
mezclas de varias maneras, pero casi siempre
se obtienen por la unión de metales por arriba
de su punto de fusión. Esa solución solida de
metales o metaloides se denomina aleación.
Las aleaciones conceden propiedades
particularmente deseables en mayor
proporción o permiten una mayor combinación
de propiedades. Es importante mencionar que
las aleaciones se clasifican en dos grupos
importantes: aleaciones ferrosas y aleaciones
no ferrosas.
3.1 ALEACIONES FERROSAS. Son aleaciones que se constituyen
principalmente por el hierro (o fierro) y pueden
clasificarse principalmente en: aceros,
fundiciones o hierros colados, y
ferroaleaciones. Los aceros y las fundiciones
son las más comúnmente empleadas en la
industria, y aunque las ferroaleaciones tienen
una mejor aplicación, no dejan de ser
importantes.
3.2 ACEROS. Es una aleación de hierro y carbono, que
puede contener otros elementos; el carbono
ingresa en la red cristalina de una manera
intersticial forma un compuesto intermetálico
denominado carburo de hierro, o cementita
(fig. 2.3) en los aceros el contenido del
carbono oscila 0.1 a 1.7 %. El carbono es el
elemento principal que modifica las
características mecánicas del acero; cuando
mayor sea el porcentaje de carbono, mayores
serán la resistencia y la dureza del acero,
pero también será más frágil y menos dúctil.
Los aceros al carbono son aquellos en los
que en el elemento principal es el carbono,
aunque puede tener contenidos bajos de otras
aleantes; posteriormente se estudiara que
estos tipos de acero pueden dividirse a su vez
en aceros al bajo carbono y aceros al alto
carbono.
Si además de los elementos de los aceros al
carbón se presentan otros elementos como
cromo, níquel, molibdeno, tungsteno, vanadio,
etc., se habla entonces de aceros aleados; la
adición de aleantes modifica las propiedades
del acero; por ejemplo, el cobalto se usa para
la fabricación de los denominados aceros
rápidos para herramientas, ya que aumenta la
dureza de la herramienta durante el trabajo en
caliente y las propiedades magnéticas de los
aceros. El cromo forma carburos muy duros,
comunicando al acero mayor dureza,
Figura 3.2 Eje de pistón roto
31
resistencia, y tenacidad a cualquier
temperatura; por otro lado el cromo
proporciona a los aceros características de
inoxidable. El molibdeno, junto con el
carbono, es el elemento más eficaz para
endurecer el acero y evita la fragilidad. El
níquel aumenta la resistencia de los aceros,
aumenta la templabilidad y proporciona una
gran resistencia a la corrosión.
El plomo se encuentra en el acero en
pequeñísimos glóbulos que favorecen la fácil
mecanización por arranque de viruta
(torneado, cepillado, taladrado, etc.), puesto
que es un buen lubricante de corte; el
porcentaje oscila entre 0.15 y 0.30%, pero
debe limitarse el contenido de carbono a
valores inferiores al 0.5% por que dificulta el
templado y disminuye la tenacidad en
caliente. El silicio proporciona elasticidad. El
tungsteno forma con el hierro carburos
estables y de alta dureza, que soportan altas
temperaturas, y genera aceros rápidos con los
que es posible triplicar la velocidad de corte
de los aceros al carbono para herramientas.
El vanadio forma carburos con el hierro que
proporciona el acero una buena resistencia a
la fatiga, tracción y poder cortante. El efecto
de los aleantes en el acero es muy amplio
dependiendo del elemento que se va a
adicionar; en capítulos posteriores se
estudiara a detalle el efecto de los aleantes.
3.3 HIERROS COLADOS. También se les denomina hierros fundidos.,
y al igual que los aceros, son aleaciones
principalmente de hierro y carbono. Los
hierros colados contienen más cantidad de
carbono que los aceros; su contenido se
encuentra entre 2.0 y 6.67%, aunque
comercialmente la mayoría de los hierros
cuantas con 4% de carbono (Avner, 1985),
porque un alto contenido de carbono fragiliza
al hierro, además de que por su alta dureza y
baja maleabilidad y ductilidad, dificulta el
trabajo mecánico de la aleación. El nombre de
hierros colados o fundidos se deriva del
hecho, de que, a estas aleaciones, el principal
proceso aplicado es la fundición (Avner,
1985). Los hierros colados funden fácilmente;
y con la presencia de elementos adecuados,
su fluidez es muy alta y pueden obtenerse a
partir de su fundición piezas con forma
complicada.
La clasificación de los hierros colados
depende del tipo de microestructura presente
en cada hierro. Los principales tipos de
hierros son: el hierro blanco, formado sobre
todo por cementita, donde el carbono está
completamente combinado con el hierro; el
hierro maleable, que no es sino el hierro
blanco pero con un tratamiento térmico de
maleabilización que genera glóbulos
irregulares de grafito a partir de la cementita
(véase fig. 2.4); el hierro gris, constituido
principalmente por grafito en forma de
hojuelas o laminas (las fundiciones grises
tienen un aspecto gris brillante con grano
fino); el hierro nodular, o hierro dúctil, en
el que el grafito se encuentra como nódulos
regulares(en estas fundiciones el grafito
solidifica en forma de pequeñas esferas,
gracias a la adición de elementos inoculantes,
como el helio y el magnesio, con lo cual
aumenta considerablemente su resistencia a
la tracción); y por último, los hierros aleados
o hieros es ceciales, que son fundiciones
aleadas con otros elementos, como el
manganeso, el cromo, el molibdeno, el níquel
y el cobre principalmente, para lograr
propiedades determinadas, como alta
Figura 2.3 Horno de fundición para acero
32
resistencia a la tracción, al desgaste, a las
altas temperaturas, a la corrosión, etc.
3.4 FERROALEACIONES.
Son aleaciones que, sin tener necesariamente
un marcado carácter metálico, contienen
además del hierro uno o varios elementos
(metales o metaloides) que las caracterizan.
Las aleaciones encuentran su empleo en la
metalurgia para la fabricación de aceros que
han de responder a ciertas condiciones, y
entre las as importantes se encuentran los
ferromanganesos, que se utilizan en la
obtención de aceros al manganeso; los
ferrocromos, que se emplean en la obtención
de aceros al cromo; los ferro silicios,
utilizados en la función de aceros al silicio; los
ferro tungstenos, que sirven para la
obtención de aceros rápidos para
herramientas y aceros para imanes; y los
ferro vanadios y los ferro molibdenos, que
se emplean para la fabricación de aceros al
vanadio y al molibdeno, respectivamente.
3.5 ALEACIONES NO FERROSAS. Son aquellas que poseen algún elemento
diferente del hierro como constituyente
principal o matriz. De entre la mayoría de las
aleaciones no ferrosas se pueden mencionar
las aleaciones de aluminio, cobre, magnesio
(fig. 3.5) níquel, estaño, plomo y zinc. Otros
metales y aleaciones ferrosas menos
utilizadas incluyen cadmio, molibdeno,
cobalto, circonio, berilio, titanio, tantalio, los
metales preciosos(oro y plata) y el grupo del
platino (Avner 1985).
3.6 PROPIEDADES DE LOS
MATERIALES. Cada tipo de material posee diversos atributos
o características particulares denominadas
propiedades, de modo que los diferentes
materiales tienen su propio perfil de
propiedades. La tabla 3.1 muestra algunas de
las propiedades estándar (densidad, modulo
elástico, esfuerzos de fluencia y ruptura,
conductividad térmica y eléctrica, etc.) de los
materiales.
Figura 3.4 Conexiones de hierro maleable.
Figura 3.5 Componente de magnesio
33
3.7 PROPEDADES GENERALES. Son las propiedades físicas, como la densidad
o masa especifica de un cuerpo, definida
como la relación de su masa con respecto a
su volumen. Es importante dentro del campo
de los materiales entender la relación entre el
peso de un cuerpo y su volumen. Por ejemplo,
nos referimos al plomo o al hierro con
materiales pesados, mientras que a la
madera, al corcho o al unicel los
consideramos ligeros. Lo que en realidad se
quiere expresar es el hecho de que un bloque
de madera es más ligero que un bloque de
plomo si ambos son del mismo tamaño. Los
términos ligero y pesado son de carácter
comparativo. La cantidad que relaciona el
peso de un cuerpo con su volumen se conoce
como peso específico. El peso de un cuerpo
no es constante, sino que varía de acuerdo
con el lugar. Una relación más útil para la
densidad aprovecha el hecho de que la masa
es una constante universal,
independientemente de la gravedad.
3.8 PROPEDADES MECANICAS. Los materiales, entre otras cosas, se utilizan
para trasmitir la energía mecánica entre
ciertas partes de una máquina. Las variables
que determina la energía mecánica son las
fuerzas y los desplazamientos. Los materiales
constituyen los componentes y reaccionan
con esfuerzos y deformaciones oponiéndose
a las soluciones. Lo anterior se denomina
características mecánicas de los materiales, o
capacidad de trasmitir o soportar las variables
de energía mecánica. Las propiedades
mecánicas a un material en cuanto a su
comportamiento en presencia de un estado de
esfuerzos, a su capacidad para ser indentado
o cortado, a la resistencia que opone a la
abrasión, etcétera.
3.9 DUREZA. De entre las propiedades mecánicas más
importantes se tiene la dureza, relacionada
con las propiedades elásticas y plásticas de
un determinado tipo de material.
Tipo de propiedad Propiedad Símbolo Unidades
General Densidad ρ Kg/m3
Mecánica
Modulo elástico E, G, K Gpa
Esfuerzo ultimo σu MPa
Esfuerzo compresivo σc Mpa
Esfuerzo de falla
σf MPa
Dureza H Vickers
Deformación ε -
Limite de fatiga σe MPa
Resistencia a la fractura KIC MPa /m 1/2
Térmica
Temperatura de fundición Tm ° C o K
Temperatura de solidificación Ts ° C o K
Temperatura máxima de servicio Tmax ° C o K
Temperatura mínima de servicio Tmin ° C o K
Conductividad térmica λ W / mK
Calor especifico Cp J / Kg K
Coeficiente de expansión térmica α K-1
Eléctrica Resistividad eléctrica ρe Ωm
Constante dieléctrica εd -
Óptica Transparente, translucido, opaco Si / No -
Índice de refracción n -
34
El valor de dureza obtenido en una prueba
específica sirve solo como comparación entre
materiales del mismo tipo o con el mismo
tratamiento. Las pruebas de dureza se dividen
principalmente en tres: dureza elástica,
resistencia al corte o abrasión y resistencia a
la indentacion (Avner, 1985). La dureza
elástica proporciona una medida de la
resistencia en material en términos de la
energía que puede absorber en el intervalo
elástico; este tipo de dureza se mide mediante
un escleroscopio, el cual es un aparato que
mide la altura del rebote de un pequeño
martillo, después de que cae por su propio
peso desde una altura definida, sobre la
superficie de prueba. Cuando el martillo es
elevado a su posición inicial, tiene cierta
cantidad de energía potencial, que se
trasforma en energía cinética cuando es
liberado y golpea la superficie de la pieza que
se va a analizar; parte de esta energía se
absorbe en la impresión que queda en la
pieza y el resto regresa al martillo al rebotar
este. La figura 2.11 muestra un esquema de
un escleroscopio.
La resistencia al corte o abrasión se realiza
mediante la prueba de ralladura propuesta por
Friedrich Mohs. La escala va desde 1 hasta
10. Al diamante se le asigna el valor más alto
de la escala, con una dureza de 10, mientras
que el talco es el más blando con una dureza
asignada de 1. Mediante esta prueba, los
minerales cuya fuerza se conoce se pueden
utilizar para determinar la dureza de cualquier
otro mineral, un mineral. Un mineral de cierta
dureza rallara a otro mineral de dureza
inferior. Para aplicar la escala de dureza, se
intenta rallar la superficie de una muestra del
mineral desconocido con una muestra de un
mineral de dureza conocida que se encuentra
en la escala. Por ejemplo, si la muestra
desconocida no se puede rallar con un trozo
de calcita (con valor de 3), pero si se puede
rallar con un trozo de fluorita (con valor de 4),
entonces su dureza está entre 3 y 4. La tabla
3.2 muestra la escala de dureza de Mohs.
Hay otro tipo de ensayo para evaluar la
resistencia al corte o abrasión y es con la
prueba de lima, en la cual, la pieza que se va
a analizarse somete a la acción de corte de
una lima de dureza conocida. Esta prueba
depende del tamaño, forma y dureza de la
lima, además de la velocidad, presión y
ángulos del limado durante la prueba.
Finalmente, la resistencia a la indentacion
se realiza introduciendo a la muestra un
indentador de geometría determinada, bajo
condiciones de una carga estática que
depende de la escala de dureza que se va a
utilizar. Según el sistema de prueba, la dureza
se expresa por un numero inversamente
proporcional a la profundidad de la
indentacion para una carga y marcador
específicos, o directamente proporcional a
una carga media sobre el área de mella
(Avner, 1985). La cuantificación de la dureza
se efectúa con base en la medición de los
parámetros de una huella, de tal modo que la
dureza dH, y la dimensión de huella, h,
estarán correlacionadas inversamente es
decir:
dH =f (1/h)
(fig. 2.1)
Figura 3.11 Esquema de escleroscopio
35
Desde este punto de vista un ensayo de
dureza es un ensayo de compresión hasta la
fractura, cuyas formas de la fractura son una
función del penetrador. Los métodos más
comunes son: la prueba de dureza brinell, el
ensayo de rockwell, la prueba de dureza de
vickers y la prueba de micro dureza. La
exactitud de cualquier ensayo de dureza por
indentacion depende directamente de la
condición del marcador o indentador de
muescas, la exactitud de la carga o esfuerzo
aplicados por impacto, la condición de la
superficie de la muestra, el espesor y forma
de la muestra la localización de las
impresiones y la uniformidad del material.
Tabla 3.2. Escala de dureza de Mohs.
Dureza Mineral Equivalente
1 Talco Polvos de talco
2 Yeso Uñas de dedo
3 Calcita Moneda de bronce
4 Fluorita Clavo de hierro
5 Apatita Vidrio
6 Feldespato/ortoclasa
Corta plumas
7 Cuarzo Cuchillo de acero
8 Topacio Papel abrasivo
9 Corindón Rubí
10 Diamante Diamante sintético
3.10 DUREZA BRINELL. En el ensayo de dureza brinell, el penetrador
es una bola de acero de alta dureza de
diámetro D, que se apoya sobre la muestra
que se va a estudiar ejerciendo sobre ella una
fuerza P durante un tiempo t dado. Al realizar
una prueba, aparece una huella de diámetro d
sobre el metal (véase figura 3.12). La dureza
brinell viene definida por:
HB = P/S
(2.2)
Donde S es la superficie de la huella, P se
expresa en Kg fuerza y S es en mm².
También puede expresarse de la siguiente
manera:
HB= 2P (2.3)
La máquina de ensayo de dureza brinell debe
disponer de los siguientes elementos:
1. Cabezal capaz de ejercer cargas
controladas de hasta 3000 Kg.
2. Penetradores de bola de diámetros de
0.625 a 10 mm.
La selección de la carga, P, y el diámetro,
D, es una función del espesor de la pieza
que se va a ensayar; los resultados de
dureza quedan falseados cuando se
ensayan pequeños espesores con
grandes cargas. La norma DIN 50351
indica la forma de selección de las cargas,
los materiales y el diámetro de las bolas,
estableciendo para cada material una
relación entre carga y el cuadrado del
diámetro, la cual constituye la constante
del ensayo, Ce:
Ce = P/D²
(2.4)
Se consigue tener unidades brinell de dureza,
equiparables para una misma aleación, si se
mantiene constante para distintas cargas de
ensayo, el parámetro Ce. En consecuencia el
tipo de ensayo brinell queda definido por : el
diámetro de la bola, d, la carga, P, y el tiempo
de permanencia de la carga, t.
π d ( D - D²-d²
36
3.11 DUREZA ROCKWELL En esta prueba de dureza se utiliza un
instrumento de lectura directa basado en
principio de medición de profundidad
diferencial (fig. 3.13), la prueba se lleva a
cabo al relevar su muestra lentamente con un
indentador hasta que se ha aplicado una
determinada carga menor. Posteriormente se
aplica la carga mayor a través de un sistema
de palanca de carga. Después de que la
aguja de disco llega al reposo, se quita la
carga mayor y, con la carga todavía en
acción, el número de dureza es leído en el
indicador. La impresión poco profunda en un
material duro dará un numero grande, en
tanto que una impresión profunda en un
material blando dará un número pequeño
(Avner, 1985).
En los ensayos de dureza rockwell, las
unidades de dureza se establecen por la
medida de la profundidad, e, de la huella de
acuerdo con el modelo:
HR= A – e (mm)/0.002
(2.5)
Figura 2.12Esquema del ensayo de dureza brinell
Figura 2.13 Secuencia de cargas y profundidades en el ensayo Rockwell
37
El ensayo es aplicable a todo tipo de
materiales metálicos:
a) Metales blandos. Se utiliza como
penetrador o indentador una bola de acero
templado, similar al del ensayo brinell. En
la tabla 2.3 se observan diámetros y
cargas normalizados para este tipo de
ensayos en donde l parámetro A de la
expresión 2.5 es 130.
b) Materiales duros. Se utiliza como
penetrador un cono de diamante de 120°
de angulo de vértice redondeado en la
punta. Se usan cargas normalizadas de
60, 100 y 150 Kg, con el subíndice
indicado en la tabla 2.3.
c) Materiales de pequeños espesores
blandos o duros. En este supuesto se
usa la modalidad de pequeñas cargas
especificadas en la norma, 3 Kg de
precarga y 15, 30 o 45 Kg de carga. Se
conoce este tipo de ensayos como
rockwell superficial. La denominación de la
dureza rockwell ensayada es por escalas,
de A a L, que identifica la precarga, la
carga y el tipo de penetrador. La tabla 2.4
especifica las variantes del ensayo
rockwell existentes. Con objeto de obtener
ensayos reproducibles, la maquina obtiene
el valor e por incrementos de las cargas
aplicadas de acuerdo con la figura 2.13
Indentador Bola bola Bola bola bola cono cono Cono
Tipo de ensayo
B E F G K A C D
Diámetro de la bola (mm)
1.59 3.175 1.59 1.59 3.175 - - -
Carga (Kg) 100 100 60 150 150 60 150 100
Tabla 2.3. Especificación del indentador y la carga en los distintos tipos de ensayo de dureza rockwell.
Escala Carga indentador Materiales que se van a probar
A 60 Cono de diamante Materiales duros, carburos de wolframio
B 100 Bola de ¹⁄16” Aceros al bajo y medio carbono, latón y bronce
C 150 Cono de diamante Aceros y aleaciones templadas y revenidas
D 100 Cono de diamante Acero cementado
E 100 Bola de ¹⁄8” Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio, acero cementado.
F 60 Bola de ¹⁄16” Bronce y cobre recocidos
G 150 Bola de ¹⁄16” Cobre al berilio y bronce fosforoso
H 60 Bola de ¹⁄8” Placa de aluminio
K 150 Bola de ¹⁄8 “ Hierro fundido y aleaciones de aluminio
L 60 Bola de ¼ “ Plásticos y metales suaves (como el plomo)
Tabla 2.4 ensayos rockwell normalizados
38
El ensayo de dureza vickers es, como el
brinell, un ensayo cuyo objetivo es la
determinación de la superficie lateral, S,de la
huella. El penetrador es una pirámide de
diamante de base cuadrada, cuyo Angulo en
el vértice es de 136°. La dureza vickers viene
definida por la relación:
HV = P/S
(2.6)
Donde P es la carga de Kg de fuerza. La
superficie lateral de la huella puede
expresarse en función de la diagonal d, en
cuadrado de la base de la huella piramidal
cuando se ha suprimido la carga (fig. 3.14):
S =d² /2 sen 68°
(2.7)
Sustituyendo las ecuaciones anteriores:
HV = 2Psen 68°/d²= 1.8544 P/d²
(2.8)
HV = P/S
(2.9)
En el campo de aplicación de esta escala de
dureza es el de muestras medianas de
materiales templados o muy endurecidos. La
máquina de ensayo vickers dispone de:
1. Cabezal para ejercer cargas controladas
desde 5 a 120 Kg.
2. Penetrador vickers de 136° de vértice.
La selección de la carga se realiza en función
inversa a su dureza. La norma UNE 7-054-73
establece los distintos aspectos de este
ensayo. Como en el ensayo brinell, la
aplicación de la carga se realiza con una
velocidad mínima, y se requiere un tiempo
mínimo de permanencia, t, entre 15 y 20
segundos generalmente.
3.12 MICRO DUREZA
Se utiliza para cargas de prueba entre uno y
100g. Hay dos tipos de penetradores
empleados para la prueba: el marcador knoop
de forma piramidal, y la pirámide de diamante
vickers. El marcador knoop de forma piramidal
produce una impresión en forma de diamante,
y tiene diagonales largas y cortas a una razón
aprox. De 7:1 (Avner, 1985). La forma
piramidal empleada tiene incluidos ángulos
longitudinales de 172°30’ y ángulos
transversales de 130°.
La profundidad de la impresión es
aproximadamente 1/30 de su longitud (Avner,
1985). La pirámide de diamante vickers es el
otro topo de indentador usando en esta
prueba, y tiene una base cuadrada d 136°. En
ambos casos la diagonal más larga de la
impresión es medida de manera óptica. La
figura 3.15 muestra un micro durómetro.
Figura 2.14 Probeta de ensayo Vickers
39
3.13 ESFUERZOS Y DEFORMACIONES. En los materiales que forman parte de
estructuras y componentes, es de suma
importancia determinar los esfuerzos, las
deformaciones y los desplazamientos
causados por las cargas que actúan sobre
ellos. Entender el comportamiento mecánico
es esencial para un diseño seguro de
estructuras, maquinaria, componentes, etc. El
objetivo de cualquier análisis de residencia
consiste en establecer el esfuerzo máximo
que puede soportar un material antes de
fallar; este esfuerzo (σ) puede definirse de
manera general como a resistencia interna
que ofrece un cuerpo de cierto material y de
área determinada (A) a una carga externa
aplicada (P):
σ =P/ A
(3.10)
Donde la carga normalmente se da en
newton, el área en m² el esfuerzo en pascales
(N/m²). La ecuación anterior proporciona la
intensidad de esfuerzo uniforme en una barra
prismática cargada axialmente (Gere, 2006).
Cuando la barra es estirada como resultado
de las cargas P, los esfuerzos resultantes son
de tensión, mientras que si las cargas son
invertidas, ocasionando que la barra quede
comprimida, el esfuerzo resultante será de
compresión. Dado que los esfuerzos actúan
en una dirección perpendicular a la superficie
cortada, se llaman esfuerzos normales que
por tanto podrán ser de tensión (por
convención, serán de signo positivo) o de
compresión (por convención, serán de signo
negativo).
Una barra recta cambiara de longitud al
cargarlas axialmente, volviéndose más larga
en tensión y más corta en compresión. El
alargamiento ð es el resultado acumulativo del
alargamiento de todos los elementos del
material en todo el volumen de la barra (Gere,
2006):
€ = ð/ L
(2.11)
Si la barra esta en tensión, la deformación de
tensión se representara como un
alargamiento en el material (signo positivo por
convención), mientras que si la barra esta en
compresión, la deformación de compresión se
representara como un acortamiento (signo
negativo por convención). Para que las
máquinas y las estructuras funcionen
apropiadamente, su diseño requiere en tender
el comportamiento mecánico de los materiales
usados. Por lo general, la única manera de
establecer el comportamiento de los
materiales cuando están sometidos a cargas
es realizar experimentos en el laboratorio. El
procedimiento usual es colocar pequeños
especímenes del material en máquinas de
prueba, aplicar las cargas (estáticas-
dinámicas, de tensión y compresión) y medir
las deformaciones resultantes como cambios
en longitud y diámetro (Gere, 2006). Un
ejemplo son las máquinas para pruebas de
compresión y tensión. La prueba de
Figura 2.15 Microdurómetro Holtemann
40
compresión suele efectuarse sobre
pequeñas probetas en forma de cilindros o
cubos; en este caso es posible medir tanto la
carga aplicada por la mayoría tanto como el
acortamiento de la probeta. El acortamiento
debe medirse sobre una longitud que sea
menor a la longitud total de la probeta, con el
fin de eliminar los efectos de borde (Gere,
2006) en la prueba de tensión la probeta
(fig. 2.16) se instala entre dos mordazas de la
máquina y posteriormente se carga a tensión.
Los dispositivos de medición registran las
deformaciones, y los sistemas de control
automático y de procesamiento tabulan y
grafican los resultados en el denominado
diagrama esfuerzo –deformación. Los
resultados de las pruebas dependen del
tamaño de la probeta ensayada. Como es
poco probable que se diseñe una estructura o
componente con partes del mismo tamaño
que las probetas de prueba (bajo las cuales
se construyen con normas específicas), los
resultados de las pruebas se deben expresar
en forma tal que se puedan aplicar a
elementos de cualquier tamaño. Una manera
de lograr lo anterior es convertir los resultados
de las pruebas en esfuerzos y deformaciones
unitarias (Gere, 2006). El esfuerzo ð es una
probeta de prueba se calcula dividiendo la
carga axial P entre el área A de la sección
transversal (ecuación 2.10). Cuando se usa el
área inicial de la probeta el esfuerzo se
denomina esfuerzo nominal. Un valor más
exacto es el denominado esfuerzo
verdadero, que puede calcularse usando el
área real de la probeta en la sección
transversal en que ocurre la falla. Como el
área real en una prueba de tensión es
siempre menor que el área inicial, el esfuerzo
verdadero es menor que el normal (gene,
2006). La deformación unitaria axial € en la
probeta de prueba se encuentra dividiendo el
alargamiento medido ð entre las marcas de
calibración, entre la longitud calibrada. La
(ecuación 2.11). si se usa la longitud
calibrada inicial en los cálculos, se obtiene la
deformación unitaria nominal. Puesto que la
distancia entre las marcas de calibración
crece conforme se aplica la carga, es posible
calcular la deformación unitaria verdadera
para cualquier valor de la carga, usando la
distancia real entre las marcas de calibración
(Gere,2006). En tensión, la deformación
unitaria nominal siempre es mayor que la
deformación unitaria verdadera. Después de
efectuar una prueba de tensión o compresión
y determinar los esfuerzos y las
deformaciones unitarias, se puede trazar un
diagrama de esfuerzo contra deformación
unitaria. El diagrama esfuerzo -deformación
unitariaes una característica de cada material
en particular y proporciona información
importante sobre las propiedades mecánicas
y el tipo de comportamiento de los diferentes
materiales (fig. 2.17). La grafica de la figura
2.17 comienza con una línea recta que va del
origen al punto A; en este tramo hay una
relación entre el esfuerzo y la deformación
unitaria que es proporcional, es decir, cuya
pendiente es constante. A partir de punto A, la
proporcionalidad entre el esfuerzo y la
deformación unitaria ya no existe; el esfuerzo
en el punto A se llama límite proporcional.
La pendiente de esta recta se conoce como
módulo de elasticidad. Con un incremento
del esfuerzo más allá del límite proporcional,
la deformación unitaria comienza a crecer con
Figura 2.16 Probetas de diferentes aleaciones para ensayo de
tensión.
41
más rapidez para cada incremento del
esfuerzo; consecuencia, la
curva esfuerzo-deformación unitaria tiene una
pendiente cada vez menor hasta que en el
punto B se vuelve horizontal. Comenzando en
este punto, ocurre un alargamiento
considerable de la probeta sin un incremento
detectable en la fuerza de tensión. Este
fenómeno se conoce como fluencia del
material, y al punto B se le llama esfuerzo o
resistencia de fluencia. En la región BC el
material se vuelve plástico; es decir su
deformación continua aun retirando la carga a
la que se encuentra sometida. Después de
experimentar las grandes deformaciones
unitarias que ocurren durante la fluencia, el
material comienza a endurecerse por
deformación. Durante el endurecimiento por
deformación, el material presenta cambios
en su estructura cristalina, lo que conduce a
una resistencia mayor del material a
deformaciones adicionales. El alargamiento
de la probeta de prueba en esta región
requiere un incremento de la carga de
tensión, por lo que el diagrama de esfuerzo-
deformación unitaria tiene una pendiente
positiva en esa región (de Ca D). La carga
térmica por alcanzar su valor máximo del
esfuerzo correspondiente, al cual se le llama
esfuerzo último o resistencia ultima (punto
D). Un alargamiento adicional de la barra va
acompañado por una reducción de la carga, y
la fractura ocurre finalmente en un punto
como E.
Cuando una probeta se estira, sufre una
contracción lateral; este decremento en el
área transversal es muy pequeño e
inicialmente no tiene un efecto significativo en
los valores calculados de los esfuerzos. A
partir del punto C, la reducción de área
modifica la forma de la curva, y en la vecindad
del esfuerzo último, esta reducción resulta
considerable. Si se usa el área verdadera de
la sección transversal para calcular el
esfuerzo se obtiene la curva verdadera. La
carga total que la barra puede soportar
disminuye después de alcanzar el esfuerzo
último; sin embargo, esta reducción no se
debe a ninguna pérdida de resistencia del
material, sino a la disminución del área; en
realidad, el material soporta un incremento de
esfuerzo verdadero. Como se espera que las
mayorías de las estructuras funcionen a
esfuerzos inferiores al límite proporcional, la
curva convencional que se basa en el área
original de la probeta proporciona información
satisfactoria para su uso en el diseño
ingenieril.
3.14 FRACTURA Y FATIGA. Como se mencionó en el apartado anterior, el
esfuerzo último, o resistencia ultima de un
material de conocer como el esfuerzo máximo
que puede soportar un material antes de
fallar. Normalmente el tipo de falla asociada
es la fractura, que además es de suma
importancia, ya que se puede dar en
componentes que se encuentren en
condiciones de servicio. La fractura es la
separación o fragmentación de un cuerpo
solido en dos o más partes bajo la acción de
un esfuerzo. Se puede considerar que la
fractura es el resultado de dos procesos: a
iniciación y la propagación de grietas. Las
fracturas se pueden clasificar en dos
categorías generales: fracturas frágiles y
fracturas dúctiles. La fractura frágil se
caracteriza por la rápida propagación de
grietas, sin deformación macroscópica y muy
Figura 2.17 Diagrama esfuerzo-deformación unitaria.
42
poca micro deformación. La superficie de
fractura frágil muestra una apariencia granular
por los cambios de orientación en los planos
de clivaje entre un grano y otro. La tendencia
a que ocurra este tipo de fractura aumenta al
disminuir la temperatura, al incrementarse la
velocidades deformación y en condiciones de
tensión triaxial. La fractura dúctil se
caracteriza por una deformación plástica
apreciable antes y durante la propagación de
la grietas. En las superficies fracturadas se
observa una apariencia fibrosa. La fractura
dúctil ocurre después de una considerable
deformación plástica previa a la falla. Los
mecanismos por lo que ocurren los diferentes
tipos de fractura, así como la fatiga, se
estudiaran en capítulos posteriores. Sin
embargo, debemos mencionar que dos
disciplinas se han encargado de estudiar los
mecanismos de propagación de las grietas
que originaran las fracturas: la mecánica
clásica, la cual se basa en la mecánica del
medio continuo que presupone que el material
está libre de defectos estructurales, tanto a
nivel microscópico como macroscópico
(condición ideal); mecánica de la fractura, la
cual establece que los materiales tienen
defectos, los cuales provienen de la ruta de
manufactura y son los causantes de la
fractura(condiciones reales). Por otro lado un
material sujeto a esfuerzos repetidos o
fluctuantes fallara a un esfuerzo mucho más
bajo que el necesario para producir la fractura
en una sola aplicación de la carga. Las fallas
ocurridas en condiciones de carga dinámica
se denominan fallas por fatiga,
seguramente porque se observaran casi
siempre después de un periodo
considerablemente largo de servicio. El
estudio de la fatiga tiene cada vez más interés
por el desarrollo creciente de equipos en los
que el material está sometido a cargas
repetidas y vibraciones, como ocurre en los
automóviles, los aviones, las bombas, las
turbinas etc. en la actualidad se ha observado
que por lo menos 90% de todas las fallas en
el servicio se producen por fatiga. La falla por
fatiga se produce sin ningún indicio previo, y
da por resultado una fractura frágil sin
deformación notable; la superficie de la
fractura suele ser microscópicamente normal
al eje del esfuerzo principal. Las fallas por
fatiga muestran en la superficie una región
lisa, debida al frotamiento que ocurre cuando
se propaga la grieta a través de la sección, y
una región rugosa, originada cuando el
componente se ha fracturado por haber
disminuido la sección “sana an no poder
soportar la carga. Con frecuencia, el progreso
de una falla por fatiga aparece señalado por
una serie de marcas anulares que parecen
propagarse desde el punto de iniciación de la
falla. Esta se inicia usualmente en un punto
de concentración de esfuerzos, como una
esquina aguda, una entalla, una inclusión, etc.
para que se genere una falla por fatiga se
necesitan tres condiciones fundamentales:
1. Que se genere un esfuerzo de tensión
máximo elevado.
2. Que suceda una variación o fluctuación
bastante intensa del esfuerzo aplicado.
3. Que ocurra un número suficiente de ciclos.
Además de la presencia de concentradores
de esfuerzos, corrosión, temperatura,
estructura etc. una falla por fatiga siempre
comienza con una pequeña grieta, la cual,
bajo repetidas aplicaciones del esfuerzo,
crece en tamaño y llega a formar una
superficie con apariencia conocida como de
“concha de almeja”. Según se expande la
grieta, se reduce la sección transversal
transportadora de carga de la probeta, lo cual
ocasiona una elevación de esfuerzo en esta
sección. Al final se alcanza un punto donde la
sección transversal remanente ya no es lo
suficientemente fuerte para soportar la carga
y la expansión de la fractura se vuelve
catastrófica.
3.15 PROPIEDADES TÉRMICAS. Son aquellas que se relacionan con los
cambios que experimenta un material al
elevarse o disminuirse su temperatura. El
efecto más frecuente producido por cambios
de temperatura es un cambio en el tamaño.
Con pocas excepciones, todas las sustancias
incrementan su tamaño cuando se eleva su
43
temperatura (Tippens, 1996). Los átomos de
un sólido se mantienen a cierta distancia en
un arreglo determinado por la acción de
fuerzas eléctricas. A medida que la
temperatura aumenta se incrementa también
el movimiento de los átomos, lo que da por
resultado un cambio total en las dimensiones
de un sólido; a este cambio se le conoce
como dilatación (Tippens, 1996). Si el cambio
ocurre en una sola dimensión, se denomina
dilatación lineal; y se ha encontrado un
incremento que en una dimensión ∆L
depende de la dimensión original L0del
componente y del cambio de temperatura ∆T
en el mismo. El cambio de longitud es
directamente proporcional al punto de la
longitud original por la variación en la
temperatura:
∆L = α L0∆T
(2.12)
Los valores de longitud pueden manejarse en
cualquier tipo de unidad de longitud, mientras
se conserven las mismas unidades para la
longitud original y la variación de longitud; y
los cambios de temperatura se dan en grados
Celsius. La constante de proporcionalidad α
se conoce como el coeficiente de dilatación
térmica, y sus unidades son °C⁻¹. Como un
incremento de la temperatura no produce el
mismo incremento de longitud en todos los
materiales, el coeficiente de dilatación es una
propiedad del material. En la tabla 3.5 se
muestran algunos valores de coeficiente de
dilatación térmica. Además de lineal, la
dilatación puede ser de are cuando ocurre en
dos dimensiones o de volumen cuando un
material se dilata en todas direcciones. Por
tanto, el volumen de un material se dilata en
todas direcciones. Por tanto el volumen de un
material tendrá un incremento impredecible al
aumentar la temperatura (Gere, 2006). La
energía térmica está asociada al movimiento
molecular, y esta energía de movimiento se
mide indirectamente relacionando los cambios
de energía térmica con los cambios de
temperatura. La energía térmica perdida o
ganada por los materiales se llama calor, y de
aquí surgen varias propiedades de los
materiales, como:
1. La capacidad calorífica. Que se conoce
como la relación de calor suministrado con
respecto al incremento de temperatura
correspondiente en el material (gere,
2006).
2. El calor especifico de un material, que
puede definirse como la cantidad de
energía necesaria para elevar un grado de
temperatura de una unidad convencional
de masa.
3. El calor latente de fusión, que es calor
por unidad de masa necesaria para
cambiar el material de la fase solida a la
fase liquida (o viceversa) en su
temperatura de fusión (o de
solidificación).
4. El calor latente de vaporización,
conocido por la cantidad de calor por
unidad de masa necesario para cambiar un
material del líquido a vapor en su
temperatura de ebullición.
En la tabla 2.6 se muestran algunas de las
propiedades térmicas de varias sustancias.
3.16 PROPIEDADES ELÉCTRICAS. Las propiedades eléctricas de los materiales
tienen que ver con la facilidad de transporte
de las cargas eléctricas que estos pueden
permitir. Con base en lo anterior los
materiales se pueden clasificar en
conductores, semiconductores y aislantes.
En los materiales conductores las cargas
eléctricas se transfieren fácilmente, pero la
corriente eléctrica disminuye al aumentar la
temperatura; en los semiconductores, al
aumentar al aumentar la temperatura, l
transporte de la carga se incrementa, y son
materiales intermedios entre los conductores
y los aislantes; en los aislantes hay una
resistencia al flujo de cargas eléctricas. Las
propiedades eléctricas se fundamentan en el
comportamiento del material y se estudiara
44
con todo detalle en capítulos posteriores;
entre las más importantes se encuentran dos:
constante dieléctrica. Se define como la
razón de la capacitancia de un capacitor
de acuerdo a un material que hay entre
sus placas a la capacitancia en el vacío
(Tippens, 1996).
Resistividad eléctrica. Varía
considerablemente según el tipo de
material, también se ve afectada por la
temperatura y tiene que ver con el flujo de
cargas eléctricas a través de un conductor.
3.17 PROPIEDADES ÓPTICAS. Los diversos tipos de materiales pueden llegar
a presentar propiedades ópticas, que
dependen directamente de su
comportamiento al paso de luz. De entre las
más importantes se tienen las siguientes:
Tabla 2.6. Calores de fusión y de
vaporización de diversas sustancias.
sustancia Temperatura de fusión (°C)
Calor latente de fusión (10ᵌ J/Kg)
Temperatura de ebullición (°C)
Calor latente de vaporización (10ᵌ J/Kg)
Alcohol
etílico
-117 104 79 854
Amoniaco -75 452 -33 1370
Cobre 1080 134 2870 4730
Helio -270 5.23 -269 20.9
Plomo 327 24.5 1620 871
Mercurio -39 11.5 358 296
Oxigeno -219 13.9 -183 213
Plata 961 88.3 2193 23.4
Agua 0 334 100 2256
Zinc 420 100 918 1990
Difracción de la radiación. Proceso por el
que un haz paralelo de radiación se curva
cuando pasa por un obstáculo puntiagudo.
Transmisión de la radiación. La
velocidad de propagación de la radiación
depende del medio de propagación. El
índice de refracción de un medio es una
medida de su interacción con la radiación.
Refracción de la radiación. Cuando a
radiación incide con un ángulo en la
interface entre dos medios transparentes
con densidades diferentes, se observa un
cambio brusco en la dirección o refracción
del haz como consecuencia de una
diferencia en la velocidad de la radiación
en los dos medios.
Reflexión de la radiación. Cuando la
radiación atraviesa una interface entre
medios con diferente índice de refracción,
se produce siempre una reflexión. La
fracción de radiación reflejada es tanto
mayor cuanto mayor sea la diferencia
entre los índices de refracción.
Dispersión de la radiación. La
transmisión de la radiación a través de la
materia pude representarse como una retención momentánea de la energía
radiante por átomos, iones o moléculas,
seguida de una emisión de la radiación en
todas las direcciones cuando las partículas vuelven a su estado inicial.
Emisión de la radiación. Se origina
cuando las partículas excitadas (átomos,
iones o moléculas) se relajan a niveles de
menor energía, cediendo su exceso de
energía en forma de fotones.
45
4 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-
CARBURO DE HIERRO. No se conoce con exactitud la fecha en que
se descubrió la técnica de fundir mineral de
hierro para producir metal. Los primeros
utensilios de hierro descubiertos por los
arqueólogos en Egipto datan del año 3000
a.C., y se sabe que antes d esa época se
empleaban adornos de hierro; los griegos ya
conocían hacia el año 1000ª.C. la técnica para
endurecer armas de hierro mediante
tratamientos térmicos.
Las aleaciones producidas por los por los
primeros artesanos de hierro (y, de hecho,
todas las aleaciones de hierro fabricadas
hasta el siglo XIV d.C.) se clasifica en la
actualidad como hierro forjado. Para producir
esas aleaciones se calentaba una masa de
mineral de hierro y carbón vegetal en un
horno, o forja, con tiro forzado. Este
tratamiento reducía el mineral a una masa
esponjosa de hierro metálico con escoria,
formada por impurezas metálicas y cenizas de
carbón vegetal. Esa esponja de hierro se
retiraba mientras permanecía incandescente,
y se golpeaba con pesados martillos para
expulsar la escoria y dejar el hierro. El hierro
producido en estas condiciones solía contener
3% de partículas de escoria y 0.1% de
impurezas. En ocasiones esta técnica de
fabricación producía accidentalmente acero
autentico en lugar de hierro forjado. Los
artesanos del hierro aprendieron a fabricar
acero calentándolo hierro forjado y carbón
vegetal en recipientes de arcilla durante varios
días, con lo cual el hierro absorbía suficiente
carbono para convertirse en acero.
Después del siglo XIV se aumentó el tamaño
de los hornos utilizados para la fundición y se
incrementó el tiro para forzar el paso de los
gases de combustión por la carga o mezcla
de materias primas. En estos hornos de
mayor tamaño, el mineral de hierro de la parte
superior del horno se reducía a hierro
metálico y a continuación absorbía mas
carbono como resultado de los gases que lo
atravesaban. El producto de esos hornos era
llamado arrabio, una aleación que funde a
una temperatura menor que el hierro o el
acero forjado. El arrabio se refinaba después
para fabricar acero.
La producción moderna de arrabio emplea
altos hornos, que son modelos
perfeccionados de los usados antiguamente.
El proceso de refinado del arrabio para la
producción de acero mediante chorros de aire
se debe al inventor británico Henry Bessemer,
quien en 1855 desarrollo el horno o
convertidor que lleva su nombre. El horno de
arco eléctrico es una innovación que ofrece
una posibilidad de producir, a gran escala,
acero de alta calidad (véase fig. 2.18).
4.1 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-
CARBURO DE HIERRO Generalidades de diagrama de fase.
En el capítulo anterior se habló de los
diagramas de fase, y uno de los más
utilizados corresponde al hierro-carburo de
hierro (Fe-Fe₃C) o hierro-cementita,
representado en la figura 2.19. El diagrama
hierro-carburo de hierro se acostumbra
representar hasta la porción de interés que contiene 6.67% de carbono. Esta es la
sección entre el hierro puro y el compuesto
intersticial denominado carburo de hierro o
Figura 2.18 horno de arco eléctrico
46
cementita (Fe₃C), que contiene 6.67% de
carbono en peso. En realidad, este no es, estructuralmente hablando, un diagrama de
equilibrio, ya que para considerarlo como tal
no debe haber cambios de fase con el
tiempo; sin embargo, el carburo de hierro se
descompone en tiempos muy largos y esta
descomposición gradual lleva a la generación
de hierro y carbono en forma de grafito. Pero
como esta transformación puede realizarse
en varios años, aun a altas temperaturas
(704°C) estamos hablando de que la
cementita es una fase Meta estable, y
representante de cambios en equilibrio, bajo
condiciones de calentamiento y enfriamiento
relativamente lentos (Avner, 1979). Por otro
lado en el diagrama también aparecen las
diferentes formas alotrópicas del hierro. Si se
piensa en términos de enfriamiento, cuando el
hierro solidifica a 1537°C, se encuentra como
hierro delta (hierro ð) con una estructura
cristalina BCCA(cubica centrada en el
cuerpo); si se continua el enfriamiento hasta
1401°C ocurrirá un cambio de fase y se
generara una nueva estructura cristalina FFC
(cubica centrada en las caras), conocida
como hierro gamma (hierro ฯ), o austenita.
Cuando la temperatura alcanza los 908°C,
ocurre otro cambo de fase: el hierro ฯse
transforma en hierro alfa (hierro α), o ferrita.
El hierro alfa tiene una estructura cristalina
BCC, que al llegar a 768°C se vuelve
magnética sin ningún cambio en estructura
cristalina. El que no exista un hierro beta
(hierro β) se debe a que al principio se
consideraba el hierro alfa magnético y no
magnético eran diferentes, de manera que en
el hierro no magnético era el hierro β. Con
Figura 2.19 Sección del diagrama Fe-cementita
47
estudios de difracción de rayos X se encontró
que no había cambiado en la estructura
cristalina de ambos hierros, por lo que el
hierro α fue considerado con los dos tipos de
comportamiento. En la figura 2.20 se muestra
la curva de enfriamiento para hierro puro.
Regresando al diagrama hierro-carburo de
hierro, se puede observar una división en dos
grandes secciones: la de los aceros y la de
las fundiciones (hierros fundidos y hierros
colados). Los aceros y las fundiciones son las
aleaciones metálicas más importantes de la
civilización actual; por su volumen la
producción de fundiciones y de acero supera
en más de 10 veces la producción de todos
los demás metales juntos. Los aceros son las
aleaciones que contienen menos de 2.11% de
carbono, y los hierros fundidos representan
a las aleaciones cuyo contenido de carbono
se encuentra entre 2.11 y 6.67%. Por otro
lado, dentro de los aceros se manejan dos
tipos generales con base en el contenido del
carbono eutectoide (0.77% de C): los aceros
que contienen menos de 0.77% de carbono,
denominados aceros hipoeutectoides; y
aquellos cuyo contenido de carbono se
encuentra entre 0.77 y 2.11% de carbono,
comúnmente llamados aceros
hipereutectoides. Los hierros fundidos
también pueden subdividirse con base en el
contenido del carbono eutéctico (4.3% de C):
a los hierros fundidos con menos de 4.3% de
carbono se les conoce como hierros
fundidos hipoeutécticos, mientras que
aquellos con menos de 4.3% de carbono se
llaman hierros fundidos hipoeutécticos.
Hablando específicamente de aceros
siguiendo con el contenido de carbono como
punto de referencia, se puede también
diferenciar a los aceros de bajo carbono
cuyo contenido puede llegar hasta 0.25% en
peso de carbono, los aceros de medio carbono con un intervalo de 0.25 y 0.55% de
carbono y, finalmente los aceros de alto
carbono con más de 0.55% en peso de
carbono. Así mismo en el diagrama de hierro-
carburo de hierro se pueden apreciar tres
reacciones isotérmicas representadas por
líneas horizontales. La zona de diagrama
representada por la línea horizontal superior
en la figura 2.20 muestra la reacción
peritéctica a 1495°C; a temperaturas
superiores a la peritéctica se encuentra la
zona construida por líquido y el hierro ð. El
punto peritéctica se encuentra a la
temperatura correspondiente y 0.18% de
carbono, al descender la temperatura y a la
izquierda del punto peritéctica se halla la zona
comprendida por el hierro ð y el hierro ฯ, o
austenita. La máxima solubilidad del carbono
entre el hierro es de 0.10% a la temperatura
peritectoide, mientras que la ausencia es
mayor. La presencia de carbono influye en el
cambio alotrópico del hierro ð al hierroฯ, por
otro lado, a la derecha de la concenracion
peritectica se presenta la zona donde coexiste
la austenita en conjunto con la fase iquida. la
reaccio peritectonica se representa como
sigue:
la segunda reacción isotérmica se representa
en el diagrama a 1148°C, y esta reacción
corresponde a una eutéctica, en la cual el
líquido, al enfriarse, solidifica en dos fases: la
fase austenítica y la cementita. La
Figura 2.20 Curva de enfriamiento para el hierro puro
48
concentración eutéctica se encuentra a 4.3%
en peso de carbono. Al mantener el
enfriamiento y al atravesar la línea de
reacción eutéctica, ocurre la mescla de
austenita y cementita, y esta fina mezcla
recibe el nombre de ledeburita. La reacción
eutéctica puede representarse como:
donde: +Fe₃ C = ledeburita
Finalmente la última reacción del diagrama de
fase hierro carburo de hierro corresponde a la
reacción eutectoide que se efectúa a 727°C.
El punto eutectoide corresponde a 0.77% en
peso de carbono; durante esa reacción en
esta línea eutectoide se transforma en el
hierro α y la cementita. A esta mezcla
eutectoide se le llama perlita. La reacción
eutectoide puede representarse como:
Dónde: α +Fe₃ C = perlita.
Durante la reacción eurotectoide los átomos
de carbono precipitan para formar placas de
cementita, en el área adyacente a la placa
cementita, el hierro se vacía de carbono y los
átomos se acomodan para formar ferrita. De
cada lado de la placa de cementita se forman
delgadas capas de ferrita. El proceso
continuo con la formación de capas alternas
de cementita y ferrita, para dar como
resultado la fina mezcla tipo huella dactilar
llamada perlita. La razón por la que se forma
primeramente la cementita e debe a que la
ferrita disuelve cantidades bajas de carbono,
por lo que se necesita que los átomos de este
último salgan de la solución y de esta manera
la austenita FCC sufra el cambio a ferrita
BCC.
4.2 MICROESTRUCTURAS DE LOS
ACEROS. Las microestructuras que presenta el
diagrama de equilibrio para los aceros al
carbono son la austenita, la cementita, la
perlita y la ledeburita.
a) Austenita. Es el constituyente más denso
de los aceros y está formado por una
solución solida por inserción de carbono en
hierro gamma. La cantidad de carbono
disuelto varia de 0.8 a 2.11%C, que es la
máxima solubilidad a la temperatura de
1148°C. la austenita no es estable a la
temperatura ambiente, pero existen
algunos aceros al cromo-níquel,
denominados auténticos, cuya estructura
es austenita a temperatura ambiente;
también puede obtenerse a temperatura
ambiente por enfriamiento rápido de
aceros de alto contenido de carbono o de
muy alta aleación. La austenita está
formada por cristales cúbicos centrados en
las caras, con una dureza de 300 brinell,
una resistencia a la tracción de 100
Kg/mm² y un alargamiento de 30%, y no es
magnética. La figura 2.21 muestra una
microfotografía de la austenita. La
austenita no puede atacarse con nital, se
disuelve con agua regia en glicerina
apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, y puede
aparecer junto con la mar tensita en los
aceros templados.
b) Ferrita. es una solución solida de carbono
en hierro alfa, y su solubilidad a la temperatura ambiente es de 0.008% de
carbono, por lo que se considera como
hierro puro; la máxima solubilidad de
carbono en el hierro alfa es de 0.02% a
723°C. la ferrita es hierro casi puro y
puede contener en solución pequeñas
cantidades de silicio, fosforo y otras
impurezas. La ferrita es la fase más blanda
y dúctil de los aceros, cristaliza en la red
cubica centrada en el cuerpo, tiene una
dureza de 90 brinell y una resistencia a la
tracción de 28Kg/mm², y llega hasta un
alargamiento de 40%. La ferrita se observa
al microscopio como granos poligonales
claros(fig. 2.22).
La ferrita puede aparecer como cristales
mezclados con los de perlita en los aceros
de menos de 0.6%C, formando una re o
malla que limita los granos de perlita en los
49
aceros de 0.6 a 0.85%C, en forma de
agujas blandas circulares orientadas en la
dirección de los planos cristalográficos de
la austenita, como en los aceros en bruto
de colada o en aceros que han sido
sobrecalentados; este tipo de estructura se
denomina widmanstatten. La ferrita
también aparece como elemento
eutectoide de la perlita, formando laminas
paralelas separadas por otra láminas de
cementita. En la estructura globular de los
aceros de herramientas, forma la matriz
que rodea los glóbulos de cementita,
mientras que en los aceros
hipoeutectoides templados pueden
presentarse mezclada con la martensita
cuando el temple no se ha efectuado bien.
En los aceros aleados suelen formar
solución solida con la ferrita, o hierro alfa,
el níquel, el manganeso, el cobre, el silicio,
el aluminio etc. los reactivos habituales
para la ferrita son: el ácido nítrico (al 1,3 y
5%) y el ácido pícrico.
c) Cementita. Es el carburo de hierro de
formula Fe₃C, contiene 6.67%C y 93.33%
de hierro, es el micro constituyente más
duro y frágil de los aceros al carbono,
alcanzando una dureza brinell de 700 (68
Rc), y cristaliza en una red ortorrómbica
(fig. 2.22). la cementita es un componente
meta estable y no es coloreada por los
reactivos usados común (soluciones
alcohólicas de ácido nítrico, pícrico, etc.);
adquiere un color blanco brillante siempre
que se ataca al acero con reactivos ácidos,
y solo la colorean el picrato sódico en
caliente y los ataques oxidantes al aire.
Por su gran dureza, queda en relieve
después del pulido, por lo que puede
conocerse perfectamente el contorno de
los granos o de las láminas por el
sombreado, que aparece con iluminación
oblicua. Aparece como cementita primaria
o proeutéctica en los aceros con más de
Figura 2.21 Microestructura de la austenita
Figura 2.21 Microestructura de la austenita
Figura 2.22 Glóbulos de cementita en un acero trabajado en
caliente
50
0.9%C, formando una red que vuelve a los
granos de perlita. También forma parte de
la perlita como laminas paralelas
separadas por otras láminas de ferrita, y se
presenta en forma de glóbulos o granos
dispersos en una matriz de ferrita cuando
los aceros de alto carbono se han
sometido a un recosido de globalización.
Además, aparece en los aceros
hipoeutectoides que no han sido bien
templados.
d) Perlita. Es el micro constituyente
eutectoide formando por capas alternadas
de ferrita y cementita, con 88% de ferrita y
12% de cementita, y contiene 0.8%C. tiene
una dureza de 250 brinell, una resistencia
a la tracción de 80 Km/mm² y un
alargamiento de 15%. El nombre de perlita
se debe a las irisaciones que adquiere al
iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita
aparece en general en el enfriamiento
lento de la austenita y por la
transformación isotérmica de la austenita
en el rango de 650 a 723°C. la perlita se
colorea de oscuro con todos los reactivos
ácidos, nital, picral, etc., y se oscurece
más rápidamente que la mar tensita, pero
queda más clara que la trostita y la sorbita.
La coloración de la perlita no es un efecto
más que de las sombras y de los relieves
de los elementos que la forman, pues ni la
ferita ni la cementita son coloreadas por
los reactivos de ataque que ensombrecen
a la perlita (fig. 2.23). si el enfriamiento es
rápido (100-200°C/s), la estructura es poco
definida y se denomina sorbita. Cuando la
perlita laminar se somete a un recocido a
la temperatura aproximada a 723°C, la
cementita adopta la forma de glóbulos
incrustados en la masa de ferrita, y
entonces se llama perlita globular.
e) Ledeburita. Es la mezcla eutéctica de
austenita y cementita con 4.3%de carbono
y formada durante la reacción eutéctica a
1148°C. puesto que la austenita es
inestable a temperatura ambiente, la
ledeburita también lo es. En el diagrama
de fase hierro-carburo de hierro (fig.2.19)
se observan otras temperaturas que
deben tomarse en cuenta: la temperatura
critica superior de la región
hipereutectoides (A₃) y la temperatura
critica superior de la región
hipereutectoides (Acm); la primera incluye
un cambio alotrópico de austenita FCC a
ferrita BCC, mientras que la segunda se
refiere únicamente a un cabio en la
solubilidad del carbono. Otra temperatura
que se debe considerar en el diagrama es
la temperatura critica inferior o
temperatura eutectoide para el lado
hipoteuctoide e hipereutectoide (A1). Por
otro lado es importante señalar que las
líneas señaladas no son las mismas para
el enfriamiento y el calentamiento de una
misma aleación: la línea crítica de
calentamiento es siempre mayor que la
línea crítica de enfriamiento. Para distinguir
las líneas de enfriamiento de las de
calentamiento se emplea la notación Ar
(refroidissement) Ac (chauffage). Menor
velocidad tanto de enfriamiento como de
calentamiento, las líneas serán más
parecidas y tenderán a igualarse para
enfriamientos y calentamientos
infinitamente lentos.
Figura 2.23 Microestructura de cristales oscuros de perlita
51
4.3 TRANSFORMACIONES DE FASE
DURANTE EL ENFRIAMIENTO.
Debemos recordar que en los metales puros
existe una temperatura de solidificación. Sin
embargo en las aleaciones se presenta un
rango de solidificación y esto se relaciona con
la composición de la aleación. Por ejemplo
una aleación con 0.5% de peso en carbono no
tendrá el mismo rango de solidificación que
una aleación con 1.0 % en peso de carbono, y
desde luego ambiente será diferente en una
aleación con 0.77% en peso de carbono.
Analicemos cada caso en particular pensando
de manera general lo que sucede con un
acero hipoeutectoide, un acero
hipereutectoide y el eutectoide.
Caso I: enfriamiento lento de un
acero hipoeutectoide.
Considerando la aleación con 0.5% en peso
de carbono, representada en la figura 2.24, se
observa que a 1148°C la aleación está
constituida completamente por austenita. Al
descender la temperatura de la aleación y
cruzar la línea correspondiente a A3, la
austenita comienza a transformarse en ferrita.
Como la ferrita puede disolver muy poco
carbono, esta debe salir de la disolución antes
de que los átomos sufran el cambio a
estructura BCC, y se disuelve en la austenita.
En l punto b se advierte por regla de la
palanca que hay aproximadamente 26% de
ferrita y 74% de austenita remanente. Al
continuar el enfriamiento, la cantidad de ferrita
aumenta y la austenita presente aumenta en
su contenido de carbono. Cuando se
atraviesa A1, la austenita se transforma por
completo en ferrita y perlita después de sufrir
la reacción eutectoide. En el punto c se
presentan más o menos 36% de ferrita y 64%
de perlita. La aleación final a temperatura
ambiente estará constituida por ferrita y
perlita.
Caso II: enfriamiento lento de un
acero hipereutectoide.
En una aleación con 1.0% de carbono a
1148°C (fig. 2.25), la fase presente es una
vezmásaustenita. Al enfriar una aleación y
atravesar Acm(punto b), la austenita
comienza su transformación en cementita; por
arriba de la línea Acm, la austenita es una
solución solida insaturada. En la línea Acm, la
austenita está saturada en carbono. Conforme
la temperatura disminuye, el contenido de
carbono de la austenita, o sea, la máxima
cantidad de carbono que puede disolverse en
austenita, desciende a lo largo de la línea
Acm. Por tanto, a medida que la temperatura
desciende, el exceso de carbono por encima
de la cantidad requerida para saturar la
austenita se precipita como cementita
proeutectoide. En el punto b, el contenido de
austenita es de 94% mientras que el de
cementita es de alrededor de 6%. Después de
cruzar la línea A3, 1, la reacción eutectoide
se ha efectuado la austenita remanente se
transforma al enfriarse en perlita. El punto
muestra una mezcla de las dos fases
constituidas por 94% de perlita y alrededor de
6% de cementita. La aleación final a
temperatura ambiente está constituida por
perlita y cementita proeutoctoide.
Caso III: enfriamiento lento de un
acero eutectoide.
Una aleación con 0.77% de carbono a 1148°C
(fig. 2.26) presenta únicamente austenita,
pero si la aleación se enfría hasta 727°C, se
encontrara con la reacción eutectoide, en la
cual esta austenita se transformara en la fina
mezcla eutectoide denominada perlita. La
aleación final a temperatura ambiente estará
constituida por 100% de perlita. El diagrama
hierro-carburo de hierro proporciona
información de las temperaturas a las que
ocurren los cambios de fase, pero también de
información de las fases presentes a ciertas
temperaturas, así como su composición y
cantidad, para un cierto contenido de carbono
52
Figura 2.24 Representación esquemática de los cambios de microestructura durante el enfriamiento lento de un acero con 0.5 %
en peso de carbono
Figura 2.25 Representación esquemática de los cambios de microestructura durante el enfriamiento lento de un acero con 1.0 %
de carbono
53
en el acero, o hierro colado. Más adelante se
aprenderá que en los hierros colados, además
de ser determinante el contenido de carbono,
es importante conocer su forma ya que puede
estar presente no solo como cementita, sino
en forma de hojuelas o nódulos
principalmente. Por el momento se prestara
atención al acero y a su clasificación, antes de
abordar el tema de los hierros colados.
4.4 CLASIFICACIÓN DEL ACERO Los diferentes tipos de acero se agrupan en
cinco clases principales: aceros al carbono,
aceros aleados, aceros inoxidables, aceros
herramientas y aceros de baja aleación
ultrarresistentes. Estos tipos de acero se
clasifican de acuerdo con los elementos de
aleación que producen distintos efectos en el
acero.
4.4.1 ACEROS AL CARBONO.
Al principal producto siderúrgico es el acero,
siendo aproximadamente 90% de la
producción acero al carbono, y 10% acero
aleado. Por tanto el material metálico más
importante para la industria es el acero al
carbono. El acero al carbono es una aleación
de composición química compleja. Además de
hierro, cuyo contenido puede oscilar entre
97.0- 99.5%, hay en él muchos elementos
cuya presencia se debe a los procesos de su
producción(manganeso y silicio), a la facultad
de excluirlos totalmente del metal, (azufre,
fosforo, oxigeno, nitrógeno e hidrogeno) o a
circunstancias casuales (cromo, níquel, cobre
y otros). El aumento de contenido de carbono
en el acero eleva su resistencia a la tracción,
incrementa el índice de fragilidad en frio y
hace que disminuya la tenacidad y la
ductilidad. En general, los aceros al carbono
se usan ampliamente en donde no se
requieran propiedades mecánicas muy altas,
como la resistencia. Los aceros al carbono
pueden clasificarse en:
Aceros de construcción.
Aceros de bajo contenido de carbono.
Aceros al carbono de alta maquinabilidad
Figura 2.26 Representación esquemática de los cambios de microestructura durante el enfriamiento lento de un acero con 0.77 %
en peso de carbono
54
4.4.2 ACEROS DE CONSTRUCCIÓN. Son los aceros que se utilizan para la
fabricación de piezas o elementos de
máquinas, motores, instalaciones, carriles,
vehículos, etc. en ellos son fundamentales
ciertas propiedades de orden mecánico, como
resistencia a la tracción, tenacidad,
resistencia a la fatiga y alargamiento. De entre
los más importantes podemos mencionar los
aceros ordinarios al carbono que se usan en
bruto de forja o laminación. Se incluyen los
aceros cuyas propiedades dependen
principalmente del porcentaje del carbono que
contienen. Se emplean en grandes cantidades
para la construcción de estructuras metálicas
de edificios (fig. 2.27) y para elementos y
piezas de maquinaria, motores, ferrocarriles
etc., y su contenido de carbono suele variar
desde 0.03 a 0.70%. Además, contienen
pequeñas cantidades de manganeso y silicio,
los cuales se emplean como elementos
auxiliares en los procesos de fabricación, y
fosforo y azufre, los cuales son impurezas
perjudiciales que provienen de las materias
primas (lingotes, chatarra, combustibles y
minerales). En general los aceros ordinarios
contienen: Mn<0.90%, Si <0.50%, P<0.10% y
S<0.10%.
4.4.3 ACEROS DE BAJO CONTENIDO DE
CARBONO. Estos aceros contienen menos de 0.25%C. A
partir de aceros de 0.06 a 0.25% de carbono,
se fabrican los puentes de ferrocarril, las
grandes estructuras de estaciones, las
columnas metálicas de líneas eléctricas, los
cascos de buques, las estructuras de casas,
las carrocerías de automóviles, los tubos de
bicicletas, los clavos, los alfileres, las
cerraduras de puertas y muchos objetos más
de uso diario. En la mayoría de los casos se
utiliza el acero tal como viene de las acerías
sin darle ningún tratamiento térmico especial.
Los aceros ordinarios de contenido en
carbono comprendido entre 0.25 y 0.70% que
se emplean en estado bruto de forja o
laminación suelen emplearse para piezas de
maquinaria en general.
Por otro lado, la presencia de fosforo y azufre,
salvo en muy pocas ocasiones, es perjudicial
para la calidad de los aceros, por lo que se
procura eliminarlos en los procesos de
fabricación. En general se recomienda que en
los aceros ordinarios el contenido de cada
uno de esos elementos no rebase 0.06%, y en
los aceros de calidad se suelen exigir
porcentaje de fosforo y azufre inferiores a
0.03%. el azufre cuando se presenta como
sulfuro de hierro, provoca poca resistencia
durante los procesos de forja o laminación del
acero y a veces se agrieta por iniciarse a
fusión del azufre, que se encuentra en el
acero en forma de retícula en la
microestructura del acero. Por el contrario,
cuando aparece como el sulfuro de
manganeso, tiene una temperatura de fusión
muy elevada, y no da paso a la fragilidad en
caliente. En ambos casos, el alargamiento y la
resistencia del acero quedan muy
disminuidos. El fosforo se encuentra siempre
disuelto en los granos de ferrita, a lo que
comunica gran fragilidad.
Figura 2.27 Estructura de acero empleadas en construcción
55
4.4.4 ACEROS AL CARBONO DE ALTA
MAQUINABILIDAD. Estos aceros se usan en aquellos casos en
que se desea una maquinabilidad mejor que
la de los aceros al carbono. Se logran costos
más bajos aumentando la producción con
mayores velocidades de maquinado y mejor
vida de la herramienta, o eliminando
operaciones secundarias mediante una
mejoría en la superficie terminada. La adición
de azufre ocasiona algún sacrificio en las
propiedades de soldabilidad, forja y
conformación en frio. Estos aceros tienen
excelentes características de maquinabilidad
y buena resistencia, estirados en frio. Son
aceros que se pueden cianurar o carburar,
tratamientos superficiales que se verán más
adelante. La maquinabilidad mejora al
aumentar el azufre, el cual se combina
principalmente con el manganeso de acero y
precipita como inclusiones de sulfuros, que
favorecen la maquinabilidad al proporcionar la
formación de pequeñas virutas, y al
suministrar un lubricante propio se evita que
las virutas se agarren a la herramienta y
emboten el filo. Al disminuir esta adherencia,
se necesita menos potencia, se mejora la
superficie y la velocidad de maquinado se
puede doblar en comparación con un acero
no re sulfurado.
4.4.5 ACEROS ALEADOS. La presencia del carbono en el hierro es la
principal causa de los propiedades en los
aceros al carbono; así, un acero con alto
contenido de carbono tiene normalmente
mayores durezas que un acero de bajo
carbono. Pero además del carbono, otros
elementos químicos pueden modificar las
propiedades de un acero. Si estas
propiedades son el resultado de alguno de
estos elementos, entonces estamos hablando
de un acero aleado. Los elementos de
aleación, o aleantes, se adicionan a los
aceros para un sinnúmero de propósitos, de
entre los cuales podríamos mencionar:
aumento en la resistencia, mejora en las
propiedades mecánicas tanto a altas como
bajas temperaturas, incremento en la
resistencia al desgaste y aumento en la
templabilidad. Al adicionar un elemento
aleante al acero, debe considerarse con sumo
cuidado el efecto que producirá en la
aleación, ya que cada elemento tiende a
comportarse de manera diferente. N principio,
cuando un tercer elemento se añade al acero,
l diagrama hierro-carburo de hierro deja de
ser un diagrama binario en condiciones de
equilibrio químico y termodinámico. La
presencia de este nuevo elemento cambiara
la posición de este punto eutectoide en el
diagrama de fases y la localización de las
zonas de ferrita y austenita. Esto es
importante si se requiere realizar un
tratamiento térmico en un acero aleado,
puesto que se presentara un cambio n la
temperatura crítica, y con esto, un aumento
disminución en la temperatura de
endurecimiento respecto de la
correspondiente de un acero al carbono.
4.4.6 EFECTO DE LOS ELEMENTOS
ALEANTES EN EL ACERO. Los elementos de aleación pueden
clasificarse en dos grupos principales:
a) Los elementos que se disuelven en la
fase ferri tica, como el aluminio, el silicio,
e cobre, el cobalto y el níquel.
b) Los elementos que se combinan con el
carbono para formar carburos.
Cualquier elemento disuelto en ferrita
aumenta su dureza y su resistencia, aunque
el efecto de endurecimiento de los elementos
disueltos es realmente insignificante (Avner,
1979). El níquel, el silicio, el cobalto, el
aluminio y el cobre son los elementos más
comúnmente disueltos en la ferrita. por otro
lado, los elementos que forman carburos son
sobretodo el manganeso, el cromo, el
tungsteno, el mobdileno, el vanadio y el
titanio. Los carburos son compuestos de alta
dureza, y en consecuencia, con una marcada
fragilidad; la dureza y la resistencia al
desgaste de los aceros aleados ricos están
56
determinadas en gran medida por la cantidad,
el tamaño y la distribución de los mismos
(Avner, 1979). Algo importante que se debe
notar es que los carburos tienden a no
disolverse en la austenita, por lo que el
contenido de carbono en la misma es bajo en
reacción con el contenido inicial de carbono
en el acero. Cada elemento de la aleación
tiene un resultado diferente en las
propiedades físicas y químicas del acero. El
cuadro 8.1 indica el efecto específico de cada
elemento de aleación en el acero.
4.4.7 CLASIFICACIÓN DE ACEROS AISI-
SAE.
Es importante conocer el tipo de acero con el
que se cuenta, y con esto, determinar el
elemento de aleación. Existe un método de
designación para los aceros establecido en
american Iron and Steel Institute (AISI:
instituto Estadounidense del hierro y del
acero) y la Society of Automotive Engineers
(SAE: sociedad de ingenieros
automotrices).esta notación se basa en un
sistema numérico que indica de manera
aproximada el contenido de los elementos
importantes en el acero. La designación
consta de 4 o 5 dígitos, y el primero de ellos
corresponde al tipo al que pertenece el
carbono: aceros al carbono están
representados por la serie 1xxx y el resto de
la designación corresponde a aceros aleados.
A los aceros al níquel les corresponde la serie
2xxx. El níquel se emplea como aleante con la
finalidad de disminuir las temperaturas criticas
del acero; por otro lado; la presencia del
níquel amplia el intervalo de temperatura,
retarda la composición de la austenita y
reduce el contenido del carbono eutectoide
(Avner, 1979). Los aceros al níquel-cromo
están referidos a la serie 3xxx. En estos
aceros, la razón de níquel de acero a cromo
es aproximadamente 2.5 partes de níquel por
una parte de cromo. Cabe señalar que el
efecto combinado de estos elementos sobre
la templabilidad suele ser mayor que la suma
de los efectos de los mismos elementos
utilizados por separado.
El cromo, como era de esperarse por lo
mencionado, se utiliza igual que el níquel para
aumentar la templabilidad. Los aceros al
cromo son aquellos comprendidos en la serie
5xxx. Otra serie que vale la pena mencionar el
4xxx, correspondiente a los aceros al
molibdeno, que ejerce un fuerte efecto sobre
la templabilidad y eleva la temperatura de
inicio de crecimiento del grano de la austenita
(Barralis, 1997). Así mismo algunos
elementos de la aleación afectan de manera
moderada la templabilidad, como el
manganeso y el silicio, cuyas series son 31xx
y 92xx, respectivamente. Para finalizar con la
explicación de la designación AISI-SA, es
importante mencionar que el segundo digito
es la designación indica en forma aproximada
el porcentaje del elemento de aleación
predominante en el acero, y los últimos dos o
tres dígitos señalan el contenido en carbono.
57
Elemento Efecto en la ferrita Efecto como carburo Función
Níquel Aumenta la resistencia y la tenacidad
No genera carburos Incrementa la tenacidad, la plasticidad y a resistencia a la fatiga. Disminuye las temperaturas críticas de los aceros, y amplia el intervalo de temperaturas para tratamientos térmicos.
Silicio Aumenta la dureza No genera carburos Se emplea como desoxidante complementario del manganeso. Evita la formación de porosidad y productos internos efectos de la solidificación. Mejora la templabilidad y la resistencia de los aceros al disminuir la tenacidad.
Cobalto Aumenta la dureza Capacidad para formar carburos similar que la del hierro
Reduce la templabilidad de los aceros, aumenta la resistencia.
Aluminio Aumenta la dureza No genera carburos Se emplea como desoxidante
Cobre Aumenta la dureza No genera carburos Mejora la resistencia a la corrosión de ciertos aceros.
Manganeso Aumenta la dureza Capacidad para formar carburos mayor que la del hierro
Inhibe la influencia del azufre y el oxígeno. Es un desoxidante y ayuda a controlar la porosidad durante la solidificación. Permite la laminación y extrusión en los aceros.
Cromo Aumenta ligeramente la dureza
Capacidad para formar carburos mayor que la del manganeso y menor que la del tungsteno
Aumenta la dureza y la resistencia a la tracción, mejora la templabilidad, impide deformaciones producto del temple, aumenta la resistencia al desgaste y proporciona inoxibilidad.
Tungsteno Sistema de endurecimiento por envejecido en aleaciones con amplia concentración W-Fe
Alta capacidad para formar carburos
Mantiene la dureza a elevadas temperaturas y evita que las herramientas pierdan filo.
Molibdeno Sistema de endurecimiento por envejecido en aleaciones con amplia concentración Mo-Fe
Capacidad para formar carburos mayor que la del cromo
Mejora la resistencia a la tracción, la templabilidad y la resistencia a la termofluencia de los aceros. Aumenta la resistencia de los aceros en caliente
Vanadio Aumenta moderadamente la dureza
Capacidad para formar carburos menor que la del titanio
Afina el tamaño de grano y disminuye la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte. Proporciona resistencia al ablandamiento del revenido.
Titanio Sistema de endurecimiento por envejecido en aleaciones con amplia concentración Mo-Fe
La mayor capacidad de los elementos de aleación para formar carburos
Desoxida el acero y refina los granos. Actúa como estabilizador de los carburos e inhibe la corrosión intercristalina.
Tabla 2.7 efecto de los elementos de aleación en el acero
58
4.4.8 ACEROS INOXIDABLES. Los aceros inoxidables son aleaciones
ternarias en las que se adiciona algún aleante
con la particularidad de generar un oxido
resistente a la corrosión. Este oxido inerte es
responsable de que el acero reciba la
notación de inoxidable: un acero es
clasificado como tal por que tiene en su
composición un oxido que inhibe una
oxidación posterior. Los aceros inoxidables
resisten a muchos medios corrosivos. El
elemento de aleación absolutamente
indispensable para que un acero sea
inoxidable es el cromo en cantidades
superiores a 12%. Los aceros inoxidables son
básicamente aleaciones Fe-Cr o Fe-Cr-Ni
(fig.2.28), con cantidades de carbono entre
0.02 y 1% y algunos elementos que se
encuentran en menores cantidades, como el
molibdeno, el cobre, el silicio y el titanio
(Askeland, 1998). La presencia del cromo
permite la formación superficial de una
película pasiva o inerte, que confiere a la
aleación su carácter de inoxidable (Askeland,
1998).
El empleo de los aceros inoxidables se basa
en dos aspectos importantes: el medio
corrosivo al cual será sometido, y las
propiedades mecánicas requeridas sin
condiciones de servicio. La designación de
AISI para los aceros inoxidables es la más
usada y consiste en un numero de tres
dígitos; las designaciones 200 y 300 se
refieren a los aceros austeníticos, en tanto
que la designación 400 es para los aceros
ferríticos o martensíticos, y la designación 600
se relaciona con los aceros endurecidos por
precipitación. Los aceros inoxidables
austeníticos corresponden al más amplio tipo
de aceros inoxidables; presentan la estructura
cubica centrada en las caras de la austenita,
por lo que no son tratables térmicamente. Por
cierto, estos aceros no son magnéticos como
los aceros inoxidables férricos, que
presentan propiedades magnéticas porque
están constituidos por la estructura cubica
centrada en el cuerpo del hierro α, pero que,
por lo mismo, no pueden endurecerse por
tratamiento térmico. Los caeros inoxidables
martensiticos también muestran un
comportamiento magnético, pero en este
caso, la estructura cubica centrada en las
caras de la austenita puede transformarse en
la estructura tetragonal centrada en el cuerpo
de la martensita; estos aceros presentan una
excelente templabilidad. La figura 2.29
muestra una válvula de acero inoxidable de
este tipo. Por último, los aceros inoxidables
endurecidos por precipitación utilizan
cobre, aluminio molibdeno y niobio,
principalmente para la precipitación de esa
segunda fase constituida por compuestos
intermetalicos. El tratamiento térmico que se
efectúa en este tipo de aceros, consiste en un
temple que genera una solución solida
saturada, seguido de un revenido, durante el
cual se realiza la precipitación del compuesto
intermetalico.
Figura 2.28 Diagrama ternario Fe-Ni-Cr.
Figura 2.29 Válvula de acero inoxidable
59
4.4.9 ACEROS PARA HERRAMIENTA. En este grupo se incluyen todos los aceros
que normalmente se emplean para la
fabricación de herramientas destinadas a
modificar la forma, tamaño y dimensiones de
los materiales por cortadura, por presión o por
arranque de viruta. Los aceros de
herramientas tienen por lo general un
contenido en carbono superior a 0.30%,
aunque a veces también se usan para la
fabricación de cierta herramientas y aceros de
bajo contenido en carbono (0.1 a 0.30%).
Principales tipos de aceros de
herramientas.
Los aceros para herramientas se dividen en
cuatro tipos principales:
Aceros al carbono. La fabricación de
herramientas para los usos más diversos
se emplean aceros sin elementos de
aleación con porcentaje de carbono
variables de 0.50 a 1.40%; para
herramientas que deban tener gran
tenacidad, como martillos y picas, se usan
contenidos medios en carbono de 0.50 a
0.70%; y para herramientas de corte como
brocas, cuchillas y limas, se utilizan
cantidades intermedias de 0.70 a 1%. Para
conseguir en cada caso la máxima dureza,
deben ser templados en agua (fig. 8.14)
Aceros rápidos. La característica principal
de estos aceros es conservar su filo en
caliente, por lo que se puede trabajar con
las herramientas casi al rojo (600°C) sin
disminuir su rendimiento. Dos
composiciones comunes de los aceros
rápidos son: C = 0.75%, W= 18%, Cr= 4%
y V= 1%; y C= 0.75%, W=18%, Co=4% y
V=1.25%.
Aceros indeformables. Reciben este
nombre los aceros que en el temple no
sufren casi deformaciones y, con
frecuencia después del temple y revenido
quedan con dimensiones prácticamente
idénticas a las que tenían antes del
tratamiento. Esto se consigue empleando
sobre todo el cromo y el manganeso como
elementos de aleación. Estos aceros
templan con un simple enfriamiento al aire
o en aceite. Composiciones comunes:
C=2% y Cr=12%, C=1% y Cr=5%, y C=1%
y Mn=1%.
Aceros al corte no rápidos. Se agrupan
varios aceros aleados principalmente,
principalmente con cromo y wolframio, muy
empleados para la fabricación de
herramientas de corte que no deben
trabajar en condiciones muy forzadas.
Pueden considerarse con calidades
intermedias entre los aceros rápidos y los
aceros al carbono, y la mayoría de
herramientas fabricadas con ellos suelen
quedar con durezas comprendidas entre
60 y 66rockwell-C.
Clasificación general de los aceros
para herramienta.
Por otro lado, los aceros para herramientas se
pueden clasificar también de acuerdo con tres
características: el contenido de aleación, el
método de temple al que son sometidos y su
empleo. En cuanto al contenido de aleación
hay cuatro tipos de aceros:
Aceros al carbono para herramientas
Hablando de baja aleación, con cantidades
en elementos aleantes menores a 5%.
Aceros de media aleación, con cantidades
de aleantes entre 5-10%.
Aceros de alta aleación, con contenidos
superiores a 10% en aleantes.
La clasificación con base en el método del
temple se refiere así el acero es templado en
Figura 2.30 Acero para herramientas
60
aire, en aceite o en agua. Por último de
acuerdo con su empleo los aceros para
herramienta pueden clasificarse como aceros
para trabajos en frio, aceros para trabajo en
caliente, aceros resistentes al impacto y
aceros de alta velocidad. La designación AISI
para los aceros para herramienta asigna una
letra que involucra claramente los aspectos
mencionados; por ejemplo un acero con
designación W fue templado en agua,
mientras un acero con designación D tiene un
alto contenido en carbono y cromo y se
emplea para trabajo en frio.
Tabla 2.8. Designación AISI para algunos
aceros para herramienta.
Grupo Designación
Temple al agua W
Resistentes al impacto S
Para trabajar en frio O (temple en aceite)
Para trabajar en frio A (temple al aire)
Para trabajar en frio D (alto carbono-alto cromo)
Trabajo en caliente H (base cromo, molibdeno, tungsteno)
Alta velocidad T (base tungsteno)
Alta velocidad M (base molibdeno)
Aceros de baja aleación ultrarresistentes.
Esta familia es la más reciente de las cinco
grandes clases del acero. Los aceros de baja
aleación son más baratos que los aceros
aleados convencionales, ya que tienen
cantidades menores de los costosos
elementos de aleación. Sin embargo, reciben
un tratamiento especial que les da una
resistencia mucho mayor que la del acero al
carbono. Por ejemplo, los vagones de
mercancías fabricados con aceros de baja
aleación, pueden transportar cargas más
grandes, porque sus paredes son más
delgadas que lo que sería necesario en caso
de emplear acero al carbono, además como
los vagones de acero de baja aleación pasan
menos, las carcas pueden ser más pesadas.
En la actualidad se construyen muchos
edificios con estructuras de aceros de baja
aleación. Las vigas pueden ser más delgadas
sin disminuir su resistencia, con lo cual se
logra un mayor espacio interior en los
edificios.
4.4.10 HIERROS FUNDIDOS.
Al inicio de este capítulo hablamos que dentro
de las aleaciones hierro-carbono, podemos
encontrar los denominados hierros fundidos o
hierros colados, los cuales se encuentran en
el intervalo comprendido entre 2.11y 6.67%
de carbono, es decir, contienen más cantidad
de carbono que la necesaria para saturar la
austenita a la temperatura eutéctica (Barralis,
1997). El alto contenido de carbono de estas
aleaciones hace que la mayoría de los hierros
fundidos no sean maleables, que su ductilidad
sea muy baja y que sean frágiles; sin
embargo, pueden llegar a fundirse en formas
complicadas. Los hierros fundidos pueden ser
de 4 tipos: blancos, maleables, grises y
nodular. Los hierros blancos son aleaciones
hipoeutécticas de alta dureza y fragilidad,
pero con buena resistencia al desgaste; los
hierros “completamente blancos” tienen poca
aplicación en ingeniería. En los hierros
maleables (fig. 2.31), todo o casi todo el
carbono se encuentran sin combinar en forma
de partículas redondas irregulares conocidas
como carbono revenido, que se obtiene
mediante el tratamiento térmico del hierro
blanco, en el cual se transforma el carbono en
nódulos irregulares de carbono revenido y
ferrita, dando una estructura con alta
resistencia y ductilidad.
61
Los hierros grises son aleaciones
hipoeutécticas que contienen entre 2.5 y 4%
de carbono en forma de placas irregulares, en
general alargadas y curvas, las cuales dan su
característica, fractura de color grisáceo. Las
hojuelas de hierro gris se generan
básicamente por la presencia del silicio, el
cual es un elemento gratificador que hace que
el carbono se precipite como carbono primario
en forma de hojuelas, además de incrementar
la fluidez de la aleación durante el proceso de
fundición. Las hojuelas de grafito confieren
baja resistencia y poca ductilidad al hierro
gris. Por último, el hierro nodular, también
conocido como hierro dúctil, tiene al grafito
en forma de pequeñas bolas compactas, o
esferoides, que proporcionan una mayor
resistencia y tenacidad. El hierro nodular se
obtiene como resultado de la solidificación,
adicionando generalmente magnesio o cerio
antes del vaciado para formar los nódulos de
grafito, y no requiere tratamiento térmico.
A los hierros fundidos también puede
adicionárseles en suficiente cantidad
elementos de aleación que produzcan una
modificación en las propiedades físicas y/o mecánicas. Los elementos de aleación más
comunes son el cromo, el cobre, el
molibdeno, el níquel y el vanadio.
4.4.11 HIERRO FUNDIDO BLANCO. Son aleaciones hipoeutécticas constituidas de
perlita en una red de cementita. Como el
hierro fundido blanco tiene una cantidad
grande de cementita, el material es duro,
resistente al desgaste, frágil y difícil de
maquinar. Los hierros fundidos
“completamente blancos” tienen pocas
aplicaciones en la ingeniería por lo
mencionado; se utilizan sobre todo en los
casos en los que la resistencia al desgaste es
una característica indispensable en la pieza.
Por otro lado, el hierro blanco se emplea
también como materia prima para el hierro
maleable.
Se forma al enfriar rápidamente la fundición
de hierro desde el estado líquido, siendo el
diagrama hierro-cementita maleable; durante
el enfriamiento, la austenita solidifica a partir
de la aleación fundida en forma de dendritas.
A 1,130°C el líquido, alcanza la composición
eutéctica (4.3%C)y se solidifica como un
eutéctico de austenita y cementita, llamado
ledeburita, este eutéctico aparece en su
mayor parte como cementita blanca que
rodea las dendritas de forma de helecho (Fig
2.32).
Figura 2.31 Conexiones de hierro maleable
Figura 2.32 Microfotografía de hierro blanco
62
La fundición blanca se utiliza en cuerpos
moledores por su gran resistencia al
desgaste. Enfriamiento rápido evita la
grafitización de la cementita, pero si se
calienta de nuevo la pieza colada a una
temperatura de 870°C, el grafito se forma con
lentitud adoptando una forma característica
conocida como carbono de revenido,
resultando la fundición maleable. La matiz de
la fundición puede ser ferrítica o perlítica si la
aleación se enfría más rápidamente a partir
de 723°C al final del tratamiento de
maleabilización. Las fundiciones maleables se
utilizan en la fabricación de partes de
maquinaria agrícola, industrial y de transporte.
4.4.12 HIERRO FUNDIDO MALEABLE.
Los hierros maleables son hierros especiales
producidos por el tratamiento térmico de la
fundición blanca. Estas fundiciones se
someten a rígidos controles y dan por
resultado una microestructura, en la cual la
mayoría del carbono está en la forma
combinada de cementita (fig. 2.33).
4.4.13 HIERRO FUNDIDO GRIS. Las fundiciones grises tienen un color gris
brillante con grano fino y contienen el carbono
en estado grafitico repartidos en finas láminas
por entre la masa de hierro. Se emplean para
las mayorías de las piezas mecánicas que
han de servir de soporte o alojamiento a
mecanismos.
La mayoría de las fundiciones grises son
aleaciones hipoeutécticas que contienen entre
2.5 y 4% de carbono. El proceso de
grafitización se realiza con mayor facilidad si
el contenido de carbono es elevado, las
temperaturas son altas y la cantidad de
elementos gratificantes presentes,
especialmente el silicio, es la adecuada. Para
que grafiticen la cementita eutéctica y la
proeutectoide, y así tener una estructura final
perlítica, se deben controlar con cuidado el contenido de silicio y la velocidad de
enfriamiento. Al grafito aumenta la forma de
numerosas laminillas curvadas (fig. 2.34), que
son las que proporcionan a la fundición gris su
característica fractura grisácea o negruzca.
Si la composición y la velocidad de
enfriamiento son tales que la cementita
eutectoide también se grafitiza, la matriz
presentara entonces una estructura
totalmente ferrítica. Por lo contrario, si se
impide la grafitización de la cementita
eutectoide, la matriz será por completo
perlítica. La fundición gris constituida por
mezcla de grafito y ferrita es la más blanda y
la que menor resistencia mecánica tiene,; la
resistencia a la tracción y la dureza aumentan
con la cantidad de carbono combinada que
Figura 2.33 Microfotografía de hierro maleable
Figura 2.34 Microestructura de hierro gris
63
existe, y alcanzar su valor máximo en la
fundición gris perlítica. La mayoría de las
fundiciones contienen fosforo procedente del
mineral de hierro en cantidades variables
entre 0.10 y 0.90%, y este fosforo se combina
en su mayor parte con el hierro formado
fosfuro de hierro (Fe3P). El fosforo forma un
eutéctico ternario con la cementita y la
austenita (perlita a temperatura ambiente)
conocida como esteadita (véase fig. 2.35), la
cual es uno de los constituyentes normales d
las fundiciones, la esteadita por sus
propiedades físicas, debe controlarse con
todo cuidado para obtener unas
características mecánicas óptimas.
4.4.14 HIERRO FUNDIDO NODULAR. En estas fundiciones, el grafito solidifica en
forma de pequeñas esferas, gracias a la
adición de elementos como el cerio y el
magnesio, con lo cual aumenta
considerablemente su resistencia a la tracción
(véase fig. 2.36).
La mayor parte del contenido de carbono en
el hierro nodular tiene forma de esferoides.
Para producir la estructura nodular, el hierro
fundido que sale del horno se inocula con una
pequeña cantidad de materiales, como
magnesio, cerio o ambos. Esta
microestructura produce propiedades
deseables como alta ductilidad, resistencia,
buen maquinado, buena fluidez para la
colada, buena endurecibilidad y tenacidad. No
puede ser tan dura como la fundición blanca,
salvo que la sometan a un tratamiento térmico
superficial especial.
La fundición nodular se caracteriza porque en
ella el grafito aparece en forma de esferas
minúsculas. Así, la continuidad de la matriz se
interrumpe mucho menos que cuando se
encuentra en forma laminar, por lo que se obtienen una resistencia a la tracción, y una
tenacidad mayores que la fundición gris
ordinaria. La fundición nodular se diferencia
de la fundición maleable en lo que por lo
regular se obtiene en bruto de colada sin
necesidad de tratamiento térmico posterior.
En contenido total de carbono de la fundición
nodular es igual al de la fundición gris. Las
partículas esferoidales de grafito se forman
mediante la solidificación debido a la
presencia de pequeñas cantidades de
magnesio o cerio, las cuales se adicionan al
caldero ates de colar el metal a los moldes. La
cantidad de ferrita presente en la matriz
Figura 2.35 Microestructura de esteadita
Figura 2.36 Microfotografía de hierro nodular 50x
64
depende de la composición y la velocidad de
enfriamiento.
Fundiciones especiales
Son funciones especiales aleadas con otros
elementos como Mn, Cr, Mo, Ni, Cu, etc., con
lo cual se logran propiedades determinadas:
alta resistencia a la tracción, al desgaste, a
las altas temperaturas, a la corrosión etc.
Ferroaleaciones.
Las ferroaleaciones son productos
siderúrgicos que, sin teer necesariamente un
marcado carácter metálico, contienen además
del hierro uno o varios elementos (metales o
metaloides) que los caracterizan. Encuentran
su empleo en la metalurgia para la fabricación
de aceros que han de responder a ciertas
condiciones, así:
Ferromanganesos, que se utilizan en la
obtención de aceros al manganeso.
Ferrocromos, que se emplean en la
obtención de aceros al cromo.
Ferro silicios, utilizados en la obtención de
aceros al silicio.
Ferro tungsteno, que sirven para la
obtención de aceros rápidos para
herramientas y aceros para imanes.
Ferrovanadios y ferromolibdenos, que se
emplean para la fabricación de aceros al
vanadio y al molibdeno, respectivamente.
4.5 MATERIALES NO FERROSOS En ocasiones para satisfacer las especificaciones técnicas que se requieren en determinadas aplicaciones industriales, no basta con recurrir a los metales ferrosos, ya que debemos emplear materiales con menor punto de fusión, que no se corroan, con menor resistividad, fáciles de mecanizar.
Por todo ello se recurre a los metales no ferrosos, que cada vez se hacen más imprescindibles para la fabricación de un buen número de productos. Estos metales, a pesar de presentar características
específicas, presentan una serie de propiedades físicas generales que los identifican.
Estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido
Opacidad, excepto en capas de muy pequeño espesor.
Buenos conductores eléctricos y térmicos
Brillantes, una vez pulidos
Estructura cristalina en estado sólido
Se pueden clasificar de acuerdo a su densidad en: Pesados si su densidad es mayor de 5kg/dm
3. Ligeros si su densidad
está comprendida entre 2 y 5 kg/dm3.
Ultraligeros si su densidad es menor de 2kg/dm
3.
En general los metales no ferrosos suelen ser blandos y presentan una reducida resistencia mecánica, por lo que se suelen alear para mejorar éstas y otras propiedades.
Según su nivel de utilización los metales no ferrosos serían: Cobre y sus aleaciones, aluminio, estaño, plomo, zinc, níquel, cromo, titanio, magnesio.
4.6 METALES PESADOS
4.6.1 PLOMO Símbolo Pb. Número atómico 82. Densidad 11,34kg/dm3. Punto de fusión 327ºC. Resistencia a la tracción 2kg/mm2. Alargamiento 50%.Resistividad 0,022Ωm2/m.
65
Obtención. Estado natural
Se encuentra ampliamente disperso por todo el planeta, el mineral más abundante es la galena, sulfuro de plomo con una riqueza superior al 65% en plomo. La extracción del plomo de la galena se realiza por calcinación de la mena, convirtiéndola en óxido y reduciendo el óxido con coque en altos hornos.
Otro método consiste en calcinar la mena en un horno de reverbero hasta que parte del sulfuro de plomo se transforma en óxido de plomo y sulfato de plomo. Se elimina el aporte de aire al horno y se eleva la temperatura, reaccionando el sulfuro de plomo original con el sulfato y el óxido de plomo, para formar plomo metálico y dióxido de azufre.
Propiedades
El plomo es un metal blando, maleable y dúctil. Presenta una baja resistencia a la tracción y es un mal conductor de la electricidad. Al hacer un corte, su superficie presenta un lustre plateado brillante, que se vuelve rápidamente de color gris azulado y opaco.
A temperatura ambiente no le atacan los ácidos sulfúrico y clorhídrico, reacciona lentamente con el agua formando hidróxido de plomo, que es venenoso, por lo que no es aconsejable emplear plomo en las tuberías de abastecimiento de agua potable.
Es uno de los primeros metales conocidos. Hay referencias al plomo en el Antiguo Testamento, y era empleado por los romanos para tuberías. El plomo se emplea en la fabricación de baterías. También se utiliza industrialmente en las redes de tuberías de desagüe. Debido a su elevada densidad y propiedades nucleares, se usa como blindaje protector de materiales radiactivos y de rayos X.
Entre las numerosas aleaciones de plomo se encuentran las empleadas en soldadura eléctrica, ya que aleado con estaño se consigue reducir mucho su temperatura de fusión. Se emplea en el metal tipográfico y en la producción de cojinetes metálicos. También se disuelve en pinturas y pigmentos (minio) por su carácter antioxidante.
4.6.2 COBRE
Símbolo Cu. Número atómico es 29. Densidad 8,9kg/dm3. Punto de fusión 1083ºC. Resistencia a la tracción 18kg/mm2. Alargamiento 20%. Resistividad 0,017Ωm2/m.
Obtención. Estado natural.
El cobre puede encontrarse en estado puro. El cobre en bruto se tritura, y se separa por flotación y se concentra en barras. Los concentrados se funden en un horno de reverbero que produce cobre metálico con una pureza aproximada del 98%. Este cobre en bruto se enriquece por electrólisis, hasta alcanzar una pureza que supera el 99,9%. Los óxidos y carbonatos se reducen con carbono. Las menas más importantes, las formadas por sulfuros, no contienen más de un 12% de cobre.
El cobre puro es blando
El principal mineral de cobre es la calcopirita sulfuro de hierro y cobre, se encuentra en Chile, México, Estados Unidos y la antigua URSS; la azurita, carbonato de cobre, en Francia y Australia, y la malaquita, otro carbonato de cobre, la cuprita, un óxido de cobre que se encuentra en España.
Propiedades
Elevada conductividad del calor y electricidad, resistente a la corrosión, dúctil y maleable.
Aplicaciones
Era conocido en épocas prehistóricas, se han encontrado objetos de este metal en las ruinas de las civilizaciones antiguas.
66
El cobre tiene una gran variedad de aplicaciones a causa de sus ventajosas propiedades, como son su elevada conductividad del calor y electricidad, la resistencia a la corrosión, así como su maleabilidad y ductilidad. Debido a su extraordinaria conductividad, sólo superada por la plata, el uso más extendido del cobre se da en la industria eléctrica.0,025 mm. Por su ductilidad se puede transformar en cables de cualquier diámetro, desde
Las aleaciones de cobre, mucho más duras que el metal puro, pierden conductividad eléctrica, presentan una mayor resistencia a la tracción, gran resistencia a la corrosión y fácil mecanización.
A lo largo de la historia, el cobre se ha utilizado para acuñar monedas y confeccionar útiles de cocina, tinajas y objetos ornamentales.
Las aleaciones más importantes y profusamente utilizadas son:
Bronce, una aleación con estaño, se emplea en la fabricación de campanas, engranajes, esculturas
Latón, una aleación con zinc, se emplea en tortillería y grifería.
A menor escala se emplean otras aleaciones como son:
Cuproaluminio, se emplea para fabricar hélices de barco, tuberías.
Alpaca, es una aleación con níquel y zinc de color plateado, se emplea en la fabricación de cuberterías y joyería barata.
Cuproníquel, se emplea para la fabricación de monedas y de contactos eléctricos.
4.6.3 COBALTO
Símbolo Co. Su número atómico es 27. Densidad 8,9kg/dm3, Punto de fusión 1495ºC. El cobalto fue descubierto en 1735.
Propiedades
Tiene poca solidez y escasa ductilidad a temperatura normal, pero es dúctil a altas temperaturas. es magnético, de color blanco plateado, utilizado para obtener aleaciones De sus distintos isótopos conocidos, el cobalto 60 radiactivo es el más importante. Tiene una vida media de 5,7 años y produce una intensa radiación gamma. Por lo que se utiliza ampliamente en radioterapia.
67
Aplicaciones
Las superaleaciones resistentes a la temperatura contienen cobalto y son muy empleadas en la industria y en las turbinas de aviones. Una aleación con acero, llamada acero de cobalto se utiliza para fabricar imanes permanentes. Con el carburo de volframio, el cobalto y el cromo constituyen una aleación muy resistente usada para cortar y trabajar el acero. También se emplea en la industria de la cerámica y en el secado de pinturas, así como de catalizador.
4.6.4 ESTAÑO Símbolo Sn. Número atómico 50. Densidad 7,28kg/dm3. Punto de fusión 231ºC. Resistencia a la tracción 5kg/mm2. Alargamiento 40%.Resistividad 0,115Ωm2/m.
Obtención. Estado natural
Es un metal muy escaso en la corteza terrestre, su principal mineral es la casiterita (SnO2), que tiene una riqueza muy baja. El proceso de obtención parte de triturar la casiterita hasta convertirla en polvo y se baña
en cubas que se agitan, para que por decantación el estaño ocupe la parte baja del depósito, se compacta tras eliminar la ganga. Después se somete a tostación, para reducir los óxidos de estaño, si se tiene que depurar su riqueza hasta alcanzar valores del orden de 99%, es necesario someterlo a procesos electrolíticos.
Propiedades
A temperatura ambiente es blando y maleable, es fácil obtener papel de escaso espesor.
Aplicaciones
Sus principales aplicaciones es en la fabricación de hoja de lata recubriendo un alma de acero de dos capas muy finas de estaño puro. En aleación con plomo para emplearse como metal de aportación en la soldadura blanda eléctrica. En aleaciones especiales de muy bajo punto de fusión, en las proporciones adecuadas con plomo, bismuto, cadmio e indio se consigue una aleación que funde a 47ºC.
4.6.5 ZINC
Símbolo Zn. Número atómico 30. Densidad 7,13kg/dm3. Punto de fusión 419ºC. Resistencia a la tracción según sean piezas moldeadas o forjadas 3-20kg/mm2. Alargamiento 20%. Resistividad 0,057Ωm2/m.
68
Propiedades
Es muy frágil a temperatura ambiente, pero se vuelve maleable entre los 120 y los 150 °C, por lo que se lamina fácilmente en rodillos calientes No es atacado por el aire seco, pero en aire húmedo se oxida, cubriéndose con una película carbonada que lo protege de una posterior corrosión. Reacciona mal en presencia de ácidos.
Obtención. Estado natural
No se encuentra puro en la naturaleza y hasta el siglo XVII no se consiguió sintetizar. Los minerales más importantes son la blenda, sulfurote zinc y sulfuro de plomo, con una riqueza del 50% de zinc y la calamina, silicato y carbonato de zinc, con riqueza inferior al 40%.
Aplicaciones
El metal puro se usa principalmente como capa recubrimiento para producir acero galvanizado, en las placas de las pilas eléctricas secas, y en las fundiciones a troquel. Se usa como pigmento en pintura de exteriores, por sus propiedades antioxidantes, se utiliza como elemento de relleno en llantas de goma y como pomada antiséptica en medicina.
Aleado con el cobre para obtener latón.
El cloruro de zinc se usa para preservar la madera y como fluido soldador. El sulfuro de zinc es útil en electroluminiscencia, fotoconductividad, semiconductividad y otros usos electrónicos; se utiliza en los tubos de las
pantallas de televisión y en los recubrimientos fluorescentes.
4.6.6 CROMO
Símbolo Cr. Número atómico 24. Densidad 7,2kg/dm3. Punto de fusión es de 1.857 °C.
Propiedades
El cromo consigue aumentar la dureza y la resistencia a la corrosión de la aleación.
Aplicaciones
Una tercera parte de la producción total de cromo se emplea en materiales refractantes. El cromo está presente en diversos catalizadores. Se utiliza sobre todo en aleaciones de hierro, níquel o cobalto.
Constituye el 10% de la composición final de los aceros inoxidables. Se deposita por electrolisis sobre distintos metales, (cromado) proporcionando un acabado brillante y resistente a la corrosión, por lo que se emplea en el acabado de vehículos.
69
4.7 Metales Ligeros
4.7.1 TITANIO
De símbolo Ti. Número atómico 22. Densidad 4,45kg/dm3. Punto de fusión 1800ºC. Resistencia a la tracción 100kg/mm2.Alargamiento 5%. Resistividad eléctrica 0,8Ωm2/m.
Obtención. Estado Natural
No se encuentra puro en la naturaleza. Constituye los minerales ilmenita (FeTiO3), rutilo (TiO2) y esfena (CaO • TiO2 • SiO2). Para obtener el óxido de titanio se tritura el mineral y se mezcla con carbonato de potasio y ácido fluorhídrico produciendo fluorotitanato de potasio (K2TiF6). Éste se destila con agua caliente y se descompone con amoníaco. Así se obtiene óxido hidratado amoniacal, que se inflama en un recipiente de platino produciendo dióxido de titanio. Se trata el óxido con cloro, obteniéndose tetracloruro de titanio; que se reduce con magnesio para
producir titanio metálico, que se funde y moldea en lingotes.
Aplicaciones
Es muy maleable y dúctil en caliente, debido a su resistencia y su densidad, el titanio se usa en aleaciones ligeras, aleado con aluminio y vanadio, se utiliza en aeronáutica para fabricar las puertas de incendios, el fuselaje, los componentes del tren de aterrizaje. Los cuadros de las bicicletas de carreras. Los álabes del compresor y los revestimientos de los motores a reacción.
Se usa ampliamente en misiles y cápsulas espaciales; las cápsulas Mercurio, Gemini y Apolo fueron construidas casi totalmente con titanio
Es eficaz como sustituto de los huesos y cartílagos en cirugía.
Se usa en los intercambiadores de calor de las plantas de desalinización debido a su capacidad para soportar la corrosión del agua salada
4.7.2 ALUMINIO
De símbolo Al, es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Número atómico 13. Densidad 2,69kg/dm3. Punto de fusión 660ºC. Resistencia a la tracción 10 kg/mm2. Alargamiento 50%. Resistividad 0,026Ωmm2/m.
70
Obtención. Estado natural
Se obtiene de la bauxita, mineral que puede
encontrarse en minas a cielo abierto, se tritura
y se lava para eliminar otros materiales y
sustancias orgánicas. Posteriormente se
refina para obtener la alúmina, lo que ya es un
material comercial de aluminio con el que se
pueden obtener lingotes por fundición.
También se produce por el método Bayer, que consiste en:
La bauxita pulverizada se carga en un digestor que contiene una solución acuosa de sosa cáustica a alta presión y a alta temperatura.
Se forma aluminato de sodio que es soluble en el licor generado.
Los sólidos insolubles que contiene el licor, como hierro, silicio, titanio y otras impurezas son filtrados y el producto resultante se bombea a depósitos llamados precipitadores.
En éstos se agregan finos cristales de hidróxido de aluminio, que sirven de simientes, y en torno a ellos van creciendo en las tres dimensiones los cristales de hidróxido de aluminio.
El hidróxido de aluminio adherido a los cristales se calcina en hornos a 1200ºC. El producto obtenido se refrigera hasta temperatura ambiente, con lo que se obtiene la alúmina para la fusión y obtención de aluminio de buena calidad.
La alúmina obtenida se procesa en cubas electrolíticas, que funcionan con un baño de ciolita (fluoruro de aluminio sódico), el ánodo es un electrodo de carbón y el cátodo es la propia cuba. Tras este
proceso se obtiene el aluminio metálico, que es moldeado y procesado en hornos de concentración para la obtención de aluminio de alta calidad.
Para obtener 1kg de aluminio se requiere 2 kg de alúmina, los que son producto de 4 kg de bauxita y 8 kwh de energía eléctrica.
Aplicaciones
Debido a su baja densidad es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios y automóviles, y para las aplicaciones en las que es importante la movilidad y la conservación de energía. Por su elevada conductividad térmica, el aluminio se emplea en utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión. Es fácilmente moldeable por lo que se usa en carpintería de aluminio. Dada su escasa absorción de neutrones, se utiliza en reactores nucleares.
Es muy maleable por lo que se obtiene papel de aluminio de 0,002mm de espesor, utilizado para proteger alimentos y otros productos perecederos, por su compatibilidad con comidas y bebidas se usa en envases, envoltorios flexibles, botellas y latas de fácil apertura. El reciclado de estos recipientes supone un gran ahorro de energía.
La resistencia a la corrosión por agua del mar, lo hace útil para fabricar cascos de barco y elementos que estén en contacto con el agua.
Debida a su resistividad eléctrica es el material de elección para sustituir al cobre como conductor eléctrico.
71
4.8 METALES ULTRALIGEROS
4.8.1 MAGNESIO
De símbolo Mg. Número atómico 12. Densidad 1,74kg/dm3. Punto de fusión 650ºC. Resistencia a la tracción 18kg/mm2. Resistividad eléctrica 0,8Ωm2/m.
Aplicaciones
El magnesio aleado con aluminio se usa para piezas de aeronáutica; en miembros artificiales, aspiradoras, esquíes, carretillas, cortadoras de césped, muebles de exterior e instrumentos ópticos Como desoxidante en la fundición de metales. El magnesio puro se utiliza en flashes fotográficos, bombas incendiarias y señales luminosas y pólvora para fuegos artificiales, porque su combustión da una luz blanca muy intensa. Formando distintos compuestos químicos tiene diferentes utilidades es diverso.
El carbonato de magnesio (MgCO3), se usa como material refractario y aislante.
El cloruro de magnesio (MgCl2•6H2O), se emplea como material de relleno en los tejidos de algodón y lana, en la fabricación de papel y de cementos y cerámicas.
El citrato de magnesio (Mg3(C6H5O7)2•4H2O), se usa en medicina y en bebidas efervescentes;
El hidróxido de magnesio (Mg(OH)2), se utiliza en medicina como laxante, "leche de magnesia", y para refinar azúcar.
Los metales nobles, también llamados preciosos, son blandos, muy resistentes a la corrosión y muy caros. El oro se emplea en joyería permite aleaciones con platino. La plata presenta una excelente conductividad eléctrica por lo que podría emplearse como conductor, aunque su precio lo limita, se utiliza en numismática, joyería y en aleación en prótesis odontológicas. El platino presenta un elevado puno de fusión y es muy resistente a la corrosión y es de color blanco, no pierde su brillo y es hipoalérgico. Los metales refractarios se caracterizan por presentar una elevada resistencia mecánica a grandes temperaturas, tiene una enorme dureza, se emplean para fabricar herramientas de corte, ejes y cojinetes, para filamentos de lámparas, y como recubrimiento y fuselaje en vehículos espaciales. Dentro de este grupo están: el niobio, el molibdeno, el tántalo, el tugsteno o volframio.
72
5 LOS TRATAMIENTOS
TÉRMICOS Y EL DIAGRAMA DE
TRANSFORMACIÓN
ISOTÉRMICA DE LA AUSTENITA.
Cuando afirmamos que un acero es tratado
térmicamente, pretendemos decir que la
aleación se hace mas resistente en términos
mecánicos cuando se calienta y se enfría, ya
que el proceso térmico es el calentamiento y
el enfriamiento que se realizan con el
propósito de lograr las propiedades
mecánicas y las condiciones de servicio
deseadas en un acero mediante la
modificación de su microestructura o su
patrón de esfuerzos residuales. En esta forma
, se modifica la estructura microscópica de los
aceros, se verifican transformaciones físicas
y, aveces también ocurren cambios en la
posición de la aleación.
La finalidad de realizar un tratamiento térmico
radica en:
1. Producir modificaciones sin cambios en la
composición química general, pero no en
la naturaleza de los constituyentes
presentes en el acero. Estos
constituyentes pueden estar en el equilibrio
o fuera de el al final de la operación. Los
principales tratamientos son los tipos de
temple, los tratamientos de endurecimiento
por precipitación y el recocido.
2. Efectuar cambios estructurales en la
dimensión, forma y distribución de los
constituyentes sin modificar su naturaleza,
los principales tratamientos de este tipo
son el recocido de globulización, el
tratamiento de refinamiento estructural, el
tratamiento de recristalización y la
normalización.
3. Provocar la formación de microestructuras
favorables, por ejemplo al maquinado o al
trabajo en frio. Los principales tratamientos
de este tipo son el patenting y el revenido
clásico.
4. Eliminar o reducir los esfuerzos residuales
u homogeneizar la distribución de su
microestructura. El revenido para la
liberación de esfuerzos es un ejemplo de
los tratamientos mas comunes.
5. Provocar el restablecimiento de las
propiedades físicas o mecánicas de un
acero forjado, sin la modificación aparente
de la microestructura, como con un
tratamiento de restauración.
La figura 3.1 muestra un esquema de los
principales tratamientos térmicos utilizados en
la industria.
5.1 ETAPAS DE LOS TRATAMIENTOS
TERMICOS.
Los tratamientos térmicos son una
combinación de operaciones de calentamiento
y enfriamiento en tiempos determinados. Por
lo anterior es necesario tomar en cuenta
ciertos parámetros de operación relacionados
principalmente con el proceso de
calentamiento, hasta llegar a la temperatura
Figura 3.1 Principales tratamientos térmicos aplicados en aceros
73
de trabajo y al tiempo de permanencia de la
pieza, antes de someterla al enfriamiento en
los diferentes medios que existen y que
dependen del tipo de tratamiento, ya que
como se indica, existen tratamientos térmicos
convencionales e isotérmicos además de los
superficiales, que por lo regular involucran
una reacción química de promedio.
ETAPA 1: Calentamiento.
En la figura 3.1 se mencionan algunos de los
tratamientos térmicos, y todos ellos
comienzan con una etapa de calentamiento,
para lo que se deben considerar aspectos
prácticos y de gran relevancia, como el
tamaño de la pieza que se va a tratar. Las
piezas de poco espesor (diámetros menores a
200 mm) y con forma sencilla se pueden
introducir directamente en hornos con una
temperatura alta, por arriba de los 700 °C, ya
que como son pequeñas y su geometría es
sencilla, se calentaran de manera rápida y
uniforme. Sin embargo en las piezas gruesas
o con geometría complicada, el calentamiento
debe ser lo mas uniforme posible y llegar
hasta el centro de la pieza. Por esto, es
preferible que el calentamiento se produzca
con lentitud y que las piezas nos se
introduzcan en hornos con una temperatura
arriba de 350 °C. Si el calentamiento no se
hace lentamente y de manera uniforme se
tendrá un gradiente considerable de
temperatura el centro y la superficie de la
pieza, la dilatación variara en las diferentes
regiones y se pueden crear fuertes tensiones
internas que den lugar a grietas.
Por otro lado, durante la etapa de
calentamiento en los aceros no todo es
dilatación. Cuando el acero llega al rededor
de los 732°C, la perlita se transforma en
austenita: esto quiere decir que cambia de
hierro (alfa) a hierro (gama) y por lo tanto, el
acero que estaba dilatado se contrae durante
la transformación y luego vuelve a dilatarse.
Los aceros de alto contenido de carbono
tienen un alto contenido en perlita, y si
además se habla de componentes de gran
tamaño o difícil geometría, un calentamiento
rápido puede ser peligroso.
Las tensiones internas se crean al principio
por la dilatación desigual de zonas calientes y
frías en los aceros y después por las
contracciones que ocurren en el acero al
atravesar las zonas criticas. Con el fin de
evitar que las tensiones sean peligrosas en
nuestro acero se tienen diferentes propuestas:
a) En las secciones transversales la
diferencia de temperatura entre dos
puntos de un mismo radio situados a 25
mm de distancia no será superior a 20 °C.
b) La duración del calentamiento desde la
temperatura ambiente hasta la
austenización sea superior a 1/2 h por
pulgada de diámetro y, si es posible, de 1
h por pulgada de diámetro.
Es necesario llegar hasta la austenización del
acero para generar austenita, que
posteriormente se transformara durante el
enfriamiento, y para esto, se deben traspasar
las líneas de temperatura critica según el
tratamiento que se efectué y el tipo de acero
con el que se cuente. Para el recocido se
sugiere una temperatura de 50 °C por arriba
de la crítica. En cuanto al temple, la
sugerencia es también de 50 °C por arriba de
la temperatura critica, y para el normalizado
60 °C por arriba de la temperatura critica. Con
lo anterior se asegura que la transformación
ocurra con base en el tipo de acero y el
tratamiento térmico.
ETAPA 2: Permanencia.
El tiempo de permanencia de la pieza en el
horno comienza a contabilizarse cuando toda
la pieza, incluso las zonas del interior, a
alcanzado la temperatura de austenización.
La finalidad de dar un tiempo adecuado de
permanencia es igualar el contenido de
carbono en la pieza, ya que algunas regiones
pueden tener más carbono que otras, y al
rebasar la temperatura critica superior, todo el
carbono forma solución con la austenita. Es
importante tomar en cuenta el hecho de que
74
la igualación en el contenido de carbono
puede retardarse por segregaciones no
metálicas o por la presencia de elementos de
aleación, como el cromo o el tungsteno. Si el
calentamiento ha sido bastante rápido en la
pieza, el tiempo de permanencia deberá ser
grande; y por el contrario, si la primera fase
de calentamiento ha sido larga el tiempo de
permanencia puede ser menor; una vez más
si tomamos el criterio anterior: para procesos
de calentamiento cuya duración es de 1h por
pulgada de diámetro, suelen utilizarse
permanencias de 1/2h por pulgada, y al
contrario tiempos de permanencia de 1 h por
pulgada implican calentamiento común tiempo
de 1/2 h.
Se podría pensar solo en términos
económicos el costo que implica mantener en
el horno una pieza que llegue a la
austenización de manera uniforme; si esto
requiere tiempos largos, el costo del
tratamiento se incrementa considerablemente.
Por lo anterior podría pensarse en elevar la
temperatura de trabajo muy por encima de lo
estipulado, con el fin de calentar con más
rapidez las piezas, puesto que además, a
temperaturas muy superiores a la crítica, la
difusión del carbono es mas rápida; sin
embargo, el aumento de la temperatura
ocasiona un crecimiento de cristales de
austenita y genera un acero de propiedades
mecánicas bajas, así que es preferible
prolongar el calentamiento y efectuarlo a
temperaturas relativamente bajas. Otro
aspecto importante es que al calentar el acero
a una temperatura relativamente elevada,
próxima a su punto de fusión se genera un
material muy frágil por que los cristales
pierden su cohesión por formarse una capa
delgada de oxido al rededor de ellos, lo que
imposibilita la regeneración del acero.
Hasta este punto se han analizado las dos
primeras partes de cualquier tratamiento
térmico convencional. Falta por explicar el
enfriamiento que por cierto es de lo más
importante, pues establece el tipo de
tratamiento: en el tipo de enfriamiento que se
le de a una pieza se notan claramente las
diferencias entre cada tratamiento.
5.2 TRATAMIENTOS TERMICOS
CONVENCIONALES.
Los tratamientos térmicos convencionales
más importantes son el recocido con sus
diferentes tipos, el normalizado, el temple y su
consecuente revenido.
5.2.1 RECOCIDO. Hablando de tratamientos térmicos
convencionales, se pueden mencionar el
recocido y los tratamientos relacionados, ya
que un acero puede encontrarse en
condiciones de desequilibrio estructural,
provocadas por tratamientos térmicos o
mecánicos anteriores, como segregaciones
ocurridas durante el proceso de solidificación,
forjado en frio, contracciones por soldadura,
etc. Los recocidos forman un conjunto de
tratamientos que tienen la finalidad conseguir
estados próximos al equilibrio estable. De
manera general, podemos decir que el ciclo
térmico de estos tratamientos comprende.
1. Calentamiento justo a una temperatura que
depende del tipo de "corrección" que se va
a realizar y el cual esta relacionado con
dificultades energéticas de los procesos
microfísicos que ocurren durante el
tratamiento.
2. Mantenimiento isotérmico a la temperatura
de tratamiento, u oscilaciones en torno a
esta temperatura.
3. Enfriamiento a aire en condiciones
ambientales o al horno.
Con el recocido se puede disminuir la dureza
del acero, mejora su ductilidad y su
maleabilidad o recristalizar alguna de sus
microestructuras, dado que, después de un
recocido, el acero puede presentar diferentes
estructuras, como la ferrita, la cementita y/o la
perlita, constituyentes característicos de los
aceros recocidos, que se aprecian con gran
75
claridad en un examen microscópico. A
continuación describimos los tipos de
recocidos más comunes.
RECOCIDO COMPLETO.
El recocido completo o simplemente recocido,
incluye un calentamiento alrededor de Ac3 +
50 ° C para los aceros hipoeutectoides y Ac1
+ 50 ° C para los hipereutectoides, seguido de
un enfriamiento lento al horno, sobre todo en
el intervalo critico de transformación. En los
aceros hipoeutectoides es posible conseguir
ferrita y perlita con una estructura
relativamente "grosera": resistencia y dureza
bajas, así como ductilidad elevada. En los
aceros hipereutectoides la globulización
parcial de la cementita proeutectoide permite
evitar el aumento de la fragilidad en
condiciones de servicio, relacionada con la
presencia de carburos en la red intergranular
RECOCIDO DE HOMOGENIZACION
El recocido de homogenización se puede
utilizar para eliminar la segregación producida
durante la solidificación, y consiste en
mantener el metal dentro del intervalo
austenítico. La homogenización tiene lugar
por la difusión de la fase (gama) a una
velocidad que crece con la temperatura de
mantenimiento. La temperatura de
homogenización se encuentra en el intervalo
comprendido entre 1000 y 1200 °C.
RECOCIDO DE GLOBULIZACION
Si se quiere obtener una estructura
globulizada de cementita, con dureza menor a
la habitual, entonces tendremos que realizar
un recocido de globulización o
esferoidización, el cual comprende un
calentamiento por debajo de AC1, un
mantenimiento prolongado a esta
temperatura, eventualmente una serie de
enfriamientos y calentamientos cercanas
entre dos temperaturas cercanas a cada
extremo de AC1 (recocido oscilante) y por
ultimo un enfriamiento consecutivo lento. La
figura 3.2 muestra el proceso de globulización
de la cementita a partir de una perlita laminar.
La globulización puede obtenerse con más
facilidad mediante un revenido prolongado por
debajo de AC1 de una estructura inicial
martensítica.
RECOCIDO DE REGENERACION
Por otro lado, las piezas que han sufrido un
tratamiento de homogenización por difusión,
las zonas vecinas a uniones soldadas, las
piezas forjadas a altas temperaturas, el
corazón de piezas cementadas, etc.,
presentan comúnmente estructuras
sobrecalentadas de gran tamaño. Si
queremos refinar el tamaño de grano,
debemos aplicar un tratamiento de
refinamiento estructural. El recocido de
regeneración comprende un calentamiento no
prolongado a una temperatura ligeramente
superior a AC3 en los aceros hipoeutectoides y
AC1 en los aceros hipereutectoides, de
manera que se pueda obtener una austenita
de grano fino. El enfriamiento a una velocidad
convenientemente conducirá conducirá a una
estructura ferrítico - perlítica fina en los aceros
hipoeutectoides, como se muestra en la figura
3.3. Es necesario aclarar que el enfriamiento
no debe ser muy lento alrededor de AR1 (750 a
600 °C), ya que el grano ferrítico tienen la
Figura 3.2 Globulización de cementita laminar
76
tendencia a crecer en esta zona, sobre todo
en los aceros dulces o con bajo contenido de
carbono.
RECOCIDO DE LIBERACION DE
TENSIONES.
Otro tratamiento mas es el tratamiento de
liberación de tensiones, ya que el temple de
los aceros y las operaciones de soldadura y
maquinado de trabajo en frio son susceptibles
de engendrar un estado de esfuerzos
residuales. Los esfuerzos residuales podemos
reducirlos o eliminarlos por medio de
tratamientos térmicos subcríticos, en los
cuales la rapidez de calentamiento y
enfriamiento deben ser los suficientemente
ligeras para no introducir nuevos esfuerzos
residuales o provocar el agrietamiento de las
piezas durante el tratamiento. El fenómeno de
relajación de esfuerzos no nos modifica
prácticamente las propiedades mecánicas del
material.
RECOCIDO DE RECRISTALIZACION
Por último vamos a hablar del tratamiento de
recristalización que se efectúa dentro de una
zona de recristalización, situada por debajo de
una temperatura que depende de la matriz del
acero y de su grado de deformación. Este
tratamiento podemos emplearlo después de
un trabajo en frio, en el que la estructura
distorsionada por el trabajo mecánico es
remplazada por una nueva estructura de
granos reformados.
La figura 3.4 ilustra las diversas zonas de
temperatura utilizadas para los principales
tratamientos de recocidos descritos. El
tratamiento que le daremos a nuestro acero
depende dependerá del tipo de propiedad que
necesitemos; podemos disminuir su dureza,
regenerar su estructura, eliminar tensiones,
aumentar su ductilidad y mejorar su
maquinabilidad, entre otras.
5.3 NORMALIZADO El tratamiento de normalización, al igual que
el recocido completo, conduce a estructuras
con ferrita y perlita. La temperatura de
mantenimiento debe ser elevada para los
acero hipoeutectoides, y por debajo de ACcm
para los aceros hipereutectoides. El
enfriamiento debe ser al aire. Las estructuras
ferrítico - perlíticas obtenidas corresponden a
granos ferríticos finos y de ligeros
espaciamientos laminares dentro de la perlita.
Estas microestructuras homogéneas podemos
requerirlas en ciertas aplicaciones mecánicas
Figura 3.3 Tratamiento de refinamiento estructural
Figura 3.4 Zonas usuales de los principales tratamientos
termicos
77
y constituyen un estado inicial óptimo para el
tratamiento de austenización antes del
temple.
5.4 TEMPLE. El tratamiento de endurecimiento por temple
tiene por objeto endurecer y aumentar la
resistencia de los aceros, y consiste en
austenizar el componente la pieza en su
totalidad a una temperatura preestablecida,
mantenerlos a esta temperatura durante cierto
tiempo para garantizar la homogeneidad de la
austenita, y después templarlos en un medio
con la severidad de enfriamiento suficiente
para producir la microestructura y las
propiedades deseadas. Con mucha
frecuencia la estructura deseada es la
martensita, por que produce la máxima
resistencia y dureza. La velocidad de
enfriamiento en el temple (entre 20 y 2500 °C)
está directamente influida por la forma y las
dimensiones de la pieza, pero también por el
medio de enfriamiento. Las velocidades de
enfriamiento en el interior de los perfiles
delgados (menores a 200mm) serán mucho
mayores que en los gruesos (mayores a 200
mm). Por otro lado, con el enfriamiento en
agua salada muy agitada se consiguen las
mayores severidades de temple, y enfriando
la pieza dentro del horno se obtienen las
menores.
Para conocer la influencia de los medios de
enfriamiento es importante estudiar las etapas
que se presentan en este proceso, existen
tres mecanismos de disipación de calor
durante el enfriamiento de piezas templadas:
a) Primera etapa. Conducción y radiación a
través de la capa gaseosa, formada
durante el contacto de la pieza con el
medio de enfriamiento.
b) Segunda etapa. Convección entre las
burbujas del liquido que hierve:
enfriamiento por transporte de vapor. Es la
etapa de mas rápido enfriamiento.
c) Tercera etapa. El enfriamiento lo hace el
liquido por conducción y convección. Esta
etapa es más lenta que las anteriores
depende de la conductividad térmica del
liquido y de su agitación.
En la práctica, conviene utilizar el medio de
enfriamiento menos enérgico que sea capaz
de transmitir al acero una velocidad de
enfriamiento superior a la crítica. En esta
forma, se consigue una estructura totalmente
martensítica, la dureza máxima compatible
con su composición y se evitan en lo posible
grietas y deformaciones. Los aceros al
carbono en piezas de más de 10 mm de
espesor y los aceros de poca aleación con
espesores superiores a 25 mm se templan por
lo general en agua entre 15 y 20 °C. El agua
no debe sobrepasar la temperatura de 30 °C,
porque si esto ocurre, se obtendrá con mucha
probabilidad dureza y contenido de martensita
inferior al esperado en cada caso, ya que se
prolonga la primera etapa de enfriamiento y
se disminuye la velocidad de enfriamiento en
la zona comprendida entre 700 y 500 °C.
En el aceite se pueden templar perfiles
inferiores a los 10 mm de los aceros
anteriores y todos los de alta aleación. Si el
aceite se encuentra entre 30 y 60 °C, se
obtienen los mejores resultados debido entre
otras cosas a la viscosidad y características
químicas del aceite. Se suelen emplear
aceites minerales, vegetales y animales
pueden llegar a descomponerse a
temperaturas de alrededor de 50 °C,
espesándose y volviéndose gomosos y de un
olor desagradable, se emplean los aceites
minerales. Por último, al aire se templan los
aceros de muy alta aleación.
5.5 TEMPLABILIDAD La templabilidad, o penetración del temple,
viene determinada por la profundidad y
distribución de la dureza en el interior de las
piezas templadas. Si bien es cierto que la
máxima dureza que se puede obtener en los
aceros depende sobre todo del contenido de
carbono, durante l enfriamiento la piezas no
se enfrían de manera uniforme; por lo común,
la superficie se enfría mas rápido que el
78
centro, así que la estructura presente a lo
largo de la pieza llega a cambiar y con ello
también la dureza. Como es de esperarse, la
templabilidad influye notablemente en los
resultados cuando se ensayan piezas de
bastante espesor y, en cambio, influye muy
poco cuando se templan perfiles delgados.
Por otro lado, la presencia de aleantes en el
acero modifican la templabilidad de manera
favorable: los elementos que mas favorecen
la penetración del temple son el manganeso,
el molibdeno y el cromo; gracias a ellos
podemos tener durezas muy uniformes en
piezas de gran espesor.
En la actualidad, contamos con varios
métodos para evaluar la templabilidad, de los
cuales los mas conocidos son los siguientes:
1.- Examen de la fractura de barras
templadas. Este examen se suele usar en los
aceros de herramientas al carbono y carbono-
vanadio u otros de baja aleación. Consiste en
preparar varias probetas cilíndricas,
entalladas, de 19.05 mm de diámetro y 125
mm de longitud que son templadas en agua a
790, 815, 850 y 875 °C. Se rompen por
choque y se examina la fractura.
2.- Estudio de las curvas de dureza o
resistencia en el interior de barras templadas.
Se comienza preparando por forja o
laminación diversas barras de diferentes
diámetros. Después de ligeros torneados se
dejan a medidas escalonadas (25, 50, 75, 100
mm) de diámetro, posteriormente se templan
los redondos y se cortan, y luego se
determina la dureza en su sección
transversal. Finalmente, se construyen curvas
de dureza llamadas "curvas U", que
caracterizan cada tipo de acero.
3.- El ataque químico de las secciones
transversales templadas. Consiste en
observar las secciones transversales de
barras de acero fracturadas después del
temple y atacadas posteriormente con ácidos.
Las partes que han quedado sin templar se
colorean y quedan blancas, y las templadas
son muy poco atacadas.
4.- La determinación de las zonas 50% de
martensita. Es un método metalográfico que
involucra la fractura y el ataque con acido de
las muestras que hay que analizar, con su
evaluación posterior de la dureza. Para
conseguir después del temple las mejores
características mecánicas, el porcentaje de
martensita debe variar entre 50 y 90 %.
5.- El diámetro critico ideal . Es el diámetro
(expresado en pulgadas) en cuyo centro se
consigue una estructura microscópica con
50% de martensita después de ser enfriado,
desde la temperatura de temple, en un medio
de enfriamiento teórico cuya capacidad de
absorción de calor fuese infinita. Empleando
el medio de enfriamiento teórico se
conseguirá que la temperatura de la superficie
bajase instantáneamente a la temperatura del
medio de temple y se mantuviera así. Esto se
consigue prácticamente de la siguiente forma:
a) Se obtiene para un acero y un medio de
enfriamiento el diámetro critico, el cual es
el diámetro del mayor redondo en el que,
después de temple en un medio de
enfriamiento, se consigue en el corazón de
la estructura 50 % de martensita. Un acero
tiene para cada medio de enfriamiento un
diámetro critico fijo.
b) Se construye la curva correspondiente al
ensayo, tomando en cada caso las
abscisas el diámetro del redondo y en las
ordenadas el diámetro de la zona que ha
quedado sin templar.
c) La intersección de la curva con el eje de
abscisas señala el valor del diámetro
critico correspondiente.
d) Se determina el valor numérico de la
severidad del temple correspondiente al
enfriamiento empleado. Cada medio de
enfriamiento tiene un poder refrigerante
(severidad de temple = H).
e) Por último, en el grafico, preparado por
Grossmann, Se determina el diámetro
critico ideal.
6.- Ensayo Jominy (o prueba Jominy). Como
la resistencia es el factor principal en el
diseño, conviene más basar la especificación
79
del acero en la templabilidad, en vez de la
composición química. El método mas utilizado
para determinar la templabilidad es la prueba
o ensayo de templabilidad por enfriamiento de
la punta, o la prueba Jominy.
Este ensayo ha sido estandarizado por la
ASTM, la SAE y el AISI. Aquí se utiliza una
probeta de 1 in de diámetro y 4 in de largo, la
cual se calienta a una temperatura de
austenización, se extrae del horno y se coloca
en un soporte, donde un chorro de agua
choca en la cara inferior de la muestra Figura
3.5 se observa un esquema del ensayo
Jominy. En esta prueba son importantes el
tamaño de la pieza, la temperatura y la
circulación del agua. Estos parámetros se
encuentran estandarizados, de manera que
toda la muestra templada recibe la misma
rapidez de enfriamiento durante 10 minutos.
Después se maquinan dos superficies planas,
paralelas longitudinalmente a una profundidad
de de 0.015 in, se toman lecturas en la
escala Rockwell C a intervalos de 1/16 in y los
resultados se expresan como una curva de
dureza contra distancia.
Conociendo la curva Jominy de un acero se
puede hallar el diámetro critico ideal, que se
define como la zona de la pieza con un 50%
de martensita. Para ello, basta encontrar la
dureza en el acero que se está analizando en
la zona con martensita y que está
directamente relacionada en función del
contenido de carbono en cada acero, y
posteriormente determinar en la curva Jominy
la distancia en la que se ha obtenido esta
dureza. El diámetro critico ideal se encuentra
con ayuda de gráficos que lo representan
como una función de la distancia a la base.
Por otro lado podemos relacionar la rapidez
de enfriamiento obtenida mediante el ensayo
con la distancia desde el extremo templado de
la probeta. La dureza y las propiedades
físicas con las que queda un acero después
del temple efectuado en condiciones normales
son función del proceso de enfriamiento. La
teoría Jominy supone que, si al al enfriarse
desde la temperatura de austenización, un
acero tiene al llegar a 704 °C en diversos
procesos de la misma velocidad de
enfriamiento, las durezas que se obtienen son
aproximadamente iguales.
Finalmente, debemos mencionar que para
obtener cierta dureza en un acero templado
se requiere una determinada velocidad de
enfriamiento, así como un adecuado medio de
temple, que viene designado por la severidad
de temple. Cada medio de enfriamiento
especifico tiene su propio valor H de
severidad de temple en la tabla 3.1 se dan
ejemplos de severidad de temple para
algunas condiciones de templado.
5.6 CURVAS DE TEMPLABILIDAD. Las curvas Jominy, o curvas de
templabilidad, se obtienen para cada tipo de
acero y en ellas se grafica la dureza obtenida
en la probeta (en el eje de las ordenadas)
con su respectiva distancia al extremo
templado (eje de las abscisas). El estudio de
las curvas de templabilidad ayuda no solo a
conocer la dureza que puede alcanzar una
barra de acero al carbón, sino a identificar la
Figura 3.5 Esquema del ensayo Jominy
80
velocidad de enfriamiento (tabla 3.2)
necesaria para obtener alguna dureza
especifica. Las curvas Jominy indican la
máxima dureza que puede alcanzar el acero
en cuestión y que depende directamente del
contenido de carbono; esta dureza es la que
se obtiene en el extremo de la dureza que se
encuentra en contacto directo con el chorro de
agua del dispositivo. Por otro lado también se
puede conocer la mínima dureza obtenida
para un acero y que corresponde
aproximadamente al estado de normalizado.
Es importante tomar en cuenta que la
presencia de elementos de aleación en el
acero modifica la templabilidad del mismo.
Como se menciono, los elementos que mas
favorecen la penetración del temple son el
manganeso, el molibdeno y el cromo. Con
aceros de diferente aleación y del mismo
contenido de carbono se tienen
características casi idénticas cuando se tratan
pequeños diámetros; sin embargo, cuando se
trata de piezas grandes, el efecto de los
aleantes en la templabilidad de un acero
pueden ser significativos.
Por la importancia que han adquirido las
curvas Jominy, la SAE y AISI han establecido
las curvas de templabilidad para una gran
diversidad de aceros, principalmente aleados.
Estas curvas se presentan como bandas de
templabilidad, comprendidas entre las curvas
de máxima y mínima templabilidad.
Los aceros que cumplen con determinada
banda tienen una designación especial, por lo
que se les añade la letra H (hardenability), la
cual señala que el acero se ha fabricado para
cumplir una especificación de templabilidad.
De lo anterior se desprende que el uso de las
curvas de templabilidad es muy importante en
la industria de los tratamientos térmicos. El
método para construirlas no solo es a partir de
la prueba Jominy. En 1942, M.A. Grossmann
dio a conocer un método para conocer la
templabilidad de los aceros con una
aproximación de 10 a 15 %. El método
propuesto por Grossmann depende
directamente de la composición química y el
Severidad de temple H
Medio de temple Rapidez de enfriamiento en el centro de una barra de 1 pulgada (°C/s)
0.25 Aceite sin agitación 18
0.5 Aceite con agitación 45
1.0 Agua sin agitación 50
1.5 Agua con agitación 90
2.0 Salmuera sin agitación 110
5.0 Salmuera con agitación 230
∞ Temple ideal
Tabla 3.1 Severidad de temple para diferentes medios de enfriamiento
Distancia Jominy (Pulgadas)
Rapidez de enfriamiento (°C/s)
1/16 315
1/8 110
3/16 50
1/4 36
5/16 28
3/8 22
7/16 17
1/2 15
5/8 10
3/4 8
1 5
1 1/4 3
1 1/2 2.8
1 3/4 2.5
2 2.1
81
tamaño de grano del acero que se va a
analizar. Los resultaos obtenidos para los
aceros ordinarios y de baja aleación es de 0.3
a 00.5 % de carbono tienen un gran parecido
con los datos experimentales, mientras que
los resultados que se obtienen para aceros es
de 0.2 a 0.3 % de carbono proporcionan
durezas más altas que las obtenidas
experimentalmente. Para aceros con alto
contenido de carbono, los resultados son
poco exactos, pero este método puede
emplearse cuando no se tienen al alcance
datos reportados en la bibliografía sobre la
templabilidad de un acero o cuando tampoco
se tiene la responsabilidad de realizar un
ensayo Jominy en un acero.
5.7 REVENIDO Después de un temple anisotérmico es
posible caracterizar una pieza por su estado
metalúrgico, definido por el conocimiento en
cada punto de las fracciones másicas de sus
constituyentes, y por su estado mecánico, que
se define por el conocimiento del campo de
esfuerzos residuales. Después de un temple
el acero presenta resistencias elevadas y
deformabilidad y tenacidad relativamente
débiles. El revenido después del
endurecimiento por temple tiene como
finalidad corregir estos estados extremos en
el acero, mejorando las características de
deformabilidad y tenacidad en detrimento de
las características de resistencia.
Básicamente, con el revenido se corrige el
estado mecánico del acero, por liberación de
esfuerzos residuales. El revenido es un
tratamiento subcrítico que comprende el
calentamiento a temperatura de revenido por
debajo de AC1, el mantenimiento a esta
temperatura y enfriamiento.
Existen dos categorías de revenidos
mostrados en la figura 3.6 el revenido clásico
a alta temperatura (por debajo de los 500 °C),
seguido después del temple y en el que las
modificaciones mecánicas que se obtienen
son importantes; y el revenido a baja
temperatura, precedido por un tratamiento
criogénico (por debajo de 200 °C) y en el que
las modificaciones mecánicas obtenidas son
poco importantes.
En el revenido, el proceso de calentamiento
debe llevarse a temperaturas que dependen
de la aplicación o propiedad requerida en el
acero. El intervalo de revenido de 200 a 450
°C es una línea divisora entre las aplicaciones
que requieren alta dureza y aquellas que
requieren alta tenacidad; para dureza o
resistencia al desgaste, la temperatura de
revenido se encuentra por debajo de 200 °C,
mientras que si lo que se busca es una buena
tenacidad, debe trabajarse por arriba de 450
°C. Por otro lado, las tensiones residuales
originadas durante el temple pueden reducirse
en gran medida cuando la temperatura de
revenido alcanza 200 °C y desaparecen casi
por completo cuando se alcanzan 500 °C.
Elevar considerablemente la temperatura
puede traer con sigo resultados
desfavorables, como la fragilidad por
revenido, que es una pérdida de tenacidad
cuando se reviene el acero en el intervalo
comprendido entre 550 a 650 °C.
Después de establecer la temperatura de
trabajo, durante el proceso de revenido se
presentan cuatro etapas:
a. ETAPA 1. Se realiza a temperaturas
inferiores a 300 °C, y en ella el carburo de
hierro ε (Fe2,4 C) se precipita y el contenido
de carbono de la martensita baja
Figura 3.6 Tratamiento de revenido
82
transformándose además de res tetragonal
en red cubica.
b. ETAPA 2. Solo se presenta cuando
aparece austenita retenida, y en esta etapa
la austenita retenida se transforma en
bainita.
c. ETAPA 3. El carburo ε se transforma en
cementita, que posteriormente se globaliza
y crece, mientras que la bainita se
transforma en cementita y ferrita.
d. ETAPA 4. En los aceros de alta aleación
se presenta otra cuarta etapa, la cual
corresponde a la precipitación de carburos
de aleación que dan lugar a un
endurecimiento secundario.
Los tiempos de revenido van de media hora a
tres horas, considerando la temperatura de
revenido, el espesor de la pieza y las
propiedades mecánicas requeridas. Debe
considerarse también que el ablandamiento
es muy rápido en los primeros minutos del
revenido y que por otro lado la presencia de
carburos de cromo, tungsteno y molibdeno,
principalmente hace que en el revenido se
aumente la dureza.
Por último algo que se debe tomar en cuenta
al momento de realizar un tratamiento térmico
es que, durante la austenización, la superficie
de la pieza de acero puede llegar a sufrir
cambios estructurales por diferentes razones.
En primer lugar, el mantenimiento del acero a
altas temperaturas dentro de los hornos de
tratamientos, donde se mantienen de manera
natural una atmosfera altamente oxidante,
genera la formación de oxido de hierro en la
superficie. Al final del tratamiento térmico es
posible observar la cascarilla de oxido, que
llegar a tener dimensiones de 0.005 in y que
ocasiona diferentes consecuencias en el
acero, como retardar su rapidez real de
enfriamiento y producir una zona más suave
que la del resto de la pieza endurecida, lo cual
da diferencias en sus propiedades mecánicas
entre su centro y su superficie.
Para minimizar la formación de la cascarilla se
emplean los siguientes métodos:
Cobrizado, que impide la reacción química
entre el acero y el medio por la capa
protectora de cobre.
Atmosfera de protección a partir de gases
inertes, como argón, nitrógeno e
hidrogeno, con el fin de neutralizar la
atmosfera oxidante.
Sal liquida inerte, que protege a la pieza de
la acción del medio.
Virutas de hierro fundido, con el objeto de
que ellas reaccionen con la atmosfera
antes que la pieza de acero.
En segundo lugar, también durante la
austenización, tiene a iniciarse la difusión del
carbono del acero hacia la superficie, lo que
origina una descarburización de la pieza. Los
métodos anteriores también se utilizan para
evitar la descarburización del acero. No esta
por demás mencionar que, durante el
tratamiento térmico, la condición del acero,
tanto de la superficie como de su interior,
debe estar cuidadosamente controlada con el
fin de generar propiedades homogéneas a lo
largo del componente.
Se concluye la explicación de los diferentes
tratamientos térmicos convencionales, con
sus procesos fundamentales de
calentamiento, permanencia y enfriamiento
del acero. Después de lo anterior, el lector
podrá darse cuenta de la importancia que
tiene el realizar adecuadamente cada una de
las etapas y su consecuencia en las
propiedades de los aceros.
5.8 TRATAMIENTOS ISOTERMICOS. Como ya vimos, los tratamientos térmicos
tienen por objeto someter al acero a la acción
de ciclos térmicos con la finalidad de
conferirle propiedades particulares, adaptadas
a las condiciones de servicio a las que estará
sometido. Se han mencionado tratamientos
como el recocido, el normalizado, el temple y
el revenido, a partir de los cuales es posible
obtener diferentes estructuras y propiedades
en el acero. Si embargo, estos tratamientos
no consideran de manera estricta la diferencia
de temperatura entre la superficie y el centro
83
de la pieza que se va a tratar, ni contemplan
que este intervalo térmico en el material
puede originar variación en los esfuerzos
térmicos del mismo, que producen después
sitios de concentración de esfuerzos, los
cuales pueden generar algún tipo de falla.
Cuando se trata térmicamente una pieza e
pequeñas dimensiones, el efecto anterior
puede ser despreciable, pero en piezas de
dimensiones considerables, las variaciones
térmicas entre su centro y su superficie deben
tomarse en cuenta.
El primer paso para cualquier tratamiento
térmico es la austenización, en la cual el
acero adquiera la fase austenítica que es
inestable a temperatura ambiente, pero puede
transformarse en otras de las fases del acero,
como perlita o martensita. Si se quiere que ka
microestructura del acero sea uniforme
después del tratamiento térmico, y con esto
se incluye también la misma composición y el
mismo tamaño de gran, se necesita que
durante la austenización todo el acero este
constituido por austenita y que esta no vaya a
crecer con desproporción a lo largo de la
pieza.
Ahora bien, si la pieza es muy grande y el
tiempo de austenización no es el adecuado, el
cetro y la superficie tendrán variaciones en su
temperatura, y esto puede originar resultados
diferentes. Un resultado consistiría en que no
todo el acero alcance la fase austenítica y, por
lo mismo, no ocurra la transformación durante
el tratamiento. Otro resultado no deseado
seria que todo el acero llegara a ala fase
austenítica, pero que en regiones de mayor
temperatura esta empezara a crecer y al final
del tratamiento se obtuviera poca uniformidad
en el tamaño del grano del acero. Un efecto
más seria que la dilatación en las zonas de
mayor temperatura, respecto de la dilatación
térmica en regiones de baja temperatura,
fuera diferente lo cual crearía concentraciones
de esfuerzo en el material y posteriormente
fallas en el mismo por formación de grietas.
Ya hablamos del proceso de "calentamiento"
en el acero, por lo que ahora debemos
considerar el enfriamiento, ya que durante
esta se presentan gradientes térmicos dentro
de la pieza. Si se presentan enfriamientos
muy lentos, como los que llegan a darse
durante el recocido el normalizado, puede no
haber problema alguno, pero sin en cambio si
se dan enfriamientos muy bruscos, como los
que se generan durante el temple, sobre todo
en agua o salmuera, pueden surgir problemas
con la calidad de la pieza, por que el
enfriamiento no es el mismo en la superficie y
en el centro. La superficie se enfría
normalmente mas rápido, y esto puede llevar
a que la austenita no se transforme de igual
manera y que se formen estructuras o fases
diferentes a lo largo de la pieza. Por otro lado
durante el temple, y más en los aceros al
carbono, pueden producirse grietas o alguna
distorsión en la pieza por el choque térmico
tan alto durante el enfriamiento.
Con el fin de reducir los problemas anteriores
en el acero se han desarrollado diversos
tratamientos denominados isotérmicos, que
involucran varias etapas sucesivas de
enfriamiento, no como en el temple, donde en
un solo paso iniciado desde la temperatura de
austenización se lleva a la pieza hasta la
Figura 3.7 Tratamientos isotérmicos de martempering
84
temperatura ambiente, sino con al menos dos
pasos de enfriamiento: el primero a una
temperatura intermedia pero adecuada para
efectuar la transformación de la austenita, y el
segundo hasta la temperatura ambiente. En la
actualidad se utilizan ampliamente tres
tratamientos isotérmicos: martempering, o
temple martensítico escalonado;
austempering, conocido también como temple
bainítico escalonado; y el recosido isotérmico.
En la figura 3.7 se presenta un esquema
explicativo de martempering, que consiste en
calentar el acero a la temperatura de
austenización T, y enfriarlo en un baño de
sales, de metal fundido o de aceite caliente,
hasta una temperatura levemente superior a
Ms. Después, la pieza se mantiene a
temperatura constante para uniformar dicha
temperatura, el tratamiento isotérmico se
detiene antes de que comience la
transformación bainítica, y finalmente la pieza
se enfría con moderación (enfriamiento al
aire es suficiente) hasta producir un 100 % de
martensita. La trasformación de austenita a
martensita será casi simultáneamente en toda
la pieza, por lo que se generaran gradientes
térmicos muy pequeños. Con el martempering
se produce una martensita uniforme con
menor riesgo de distorsiones y fracturas por
choque térmico. Después del martempering,
es recomendable revenir la martensita
obtenida.
En la figura 3.8 se representa el austempering
por medio de un esquema explicativo en el
diagrama TTT. El austempering es un
tratamiento isotérmico que consiste en
calentar el acero a la temperatura de
austenización T, y enfriarlo en un baño de
sales hasta una temperatura ligeramente
superior a Ms. La pieza se mantiene a
temperatura constante hasta producir una
estructura bainítica inferior, que por último se
enfría al aire a temperatura ambiente; de este
modo se logra una estructura bainítica dura,
pero no excesivamente frágil, con buena
ductilidad y tenacidad al impacto este
tratamiento reduce al mínimo las
deformaciones originadas por el temple. Otro
aspecto importante que vale la pena
mencionar es el hecho de de que luego de
austempering se elimina el tratamiento de
revenido que suele efectuarse después de un
temple convencional, ya que no se generan
gran cantidad de esfuerzos residuales.
Finalmente se menciona el recocido
isotérmico, el cual se presenta en la figura
3.9. Después de la austenización, el acero es
llevado por debajo de AC1 y manteniendo esta
temperatura con el fin de obtener una
estructura ferrítica + perlítica en los aceros
hipoeutectoides.
En los aceros con templabilidad elevada, el
recocido clásico exige enfriamientos muy
lentos. En el recocido isotérmico se procede
al nivel de la "nariz" perlítica. Si la dureza
requerida es muy elevada, es necesario
continuar el recocido isotérmico con un
tratamiento posterior de endurecimiento.
Después de un recocido isotérmico se
obtienen estructuras uniformes en el acero;
por otro lado , se aplica para dar al acero
condiciones adecuadas de maquinado , es
muy útil para etapas intermedias de
fabricación de piezas de acero y es un
Figura 3.8 Tratamiento isotérmico de austempering
85
proceso más rápido que un recocido
convencional (se puede usar en procesos en
que se requiere enfriar rápidamente sin llegar
a templar).
Los tratamientos isotérmicos se han
incrementado en gran medida, porque con
ellos se presentan constituyentes como la
bainita. Por otro lado, con estos tratamientos
hay reducción de grietas y deformaciones, y
dado que el enfriamiento no es tan drástico, la
superficie y el interior de la pieza tienen
temperaturas más cercanas. Asimismo, se
consigue que antes de iniciarse la
transformación austenítica se igualen las
temperaturas, y cuando la austenita se
transforme, lo haga de manera mas
homogénea a lo largo de toda la pieza. Los
tratamientos isotérmicos se han usado como
consecuencia de los estudios derivados de la
curva o diagramas de transformación
isotérmica de la austenita.
DIAGRAMA DE TEMPERATURA-
5.9 TIEMPO-TRANSFORMACION. También se conocen como curvas S y
diagrama de transformación isotérmicas de la
austenita. Señala a diversas temperaturas el
tiempo necesario para que inicie y se
complete la transformación isotérmica de la
austenita en otros constituyentes. Como se
muestra en la figura 3.10, el diagrama
temperatura - tiempo - transformación
(diagrama TTT) es una grafica que indica la
relación entre temperatura, tiempo y
porcentaje de transformación en tratamientos
isotérmicos. Estos diagramas fueron creados
por Davenport y Bain con base en estudio del
porcentaje de conversión de austenita.
La construcción de un diagrama TTT empieza
preparándose un gran número de muestras
cortadas de la misma barra. La sección
transversal debe ser pequeña para que
reaccione rápidamente a los cambios de
temperatura. A continuación se colocan las
muestras en un horno o en un baño de sal
fundida a la temperaturas de austenización
adecuada. Después de variar los intervalos de
tiempo en el baño de sal, cada muestra se
templa en agua fría o en salmuera enfriada
con hielo. Por último después del
enfriamiento, a cada muestra se le toma la
dureza y se estudia en microscopio. Los
pasos anteriores se repiten a diferentes
temperaturas subcríticas hasta que se
determinan suficientes puntos para graficar
las curvas en el diagrama. Se debe relacionar
de algún modo el examen a temperatura
ambiente con lo que sucede a la temperatura
elevada. Deben tener en cuenta dos puntos:
Figura 3.9 Tratamiento de recocido isotérmico
Figura 3.10 Relación de tres parámetros; temperatura, tiempo
y transformación.
86
a. La martensita se forma solo de la austenita
casi instantáneamente a bajas
temperaturas.
b. Si la austenita se transforma a una
temperatura mayor a una estructura
estable a temperatura ambiente, un rápido
enfriamiento no cambiara el producto de la
transformación.
La metodología para la construcción de los
diagramas TTT puede resumirse en los
siguientes pasos.
1. Se lleva el espécimen a temperatura de
formación de la austenita (sobre la línea
de temperatura eutectoide).
2. Se fija una temperatura para realizar el
tratamiento (por eso se llama diagramas
de transformación isotérmica, ya que a
partir de este proceso se obtienen).
3. Entonces se lleva de la temperatura de
austenización a la temperatura fijada y se
mantiene por cierto tiempo.
4. Después de ese tiempo se realiza un
enfriamiento brusco.
5. Se toma nota del porcentaje de perlita o
bainita formada
6. Se realiza el mismo experimento para
diferentes tiempos, con el fin de obtener
desde 0 % del producto de transformación
hasta 100 %.
7. Se varia ahora la temperatura y se repita el
procedimiento.
Como resultado del experimento se pueden
graficar los puntos a una misma temperatura:
el tiempo para el principio y el tiempo para el
final de la transformación. También es
práctica común graficar el tiempo para 50 %
transformado. El experimento completo se
repite a diferentes temperaturas subcríticas
hasta que se determinan suficientes puntos
para dibujar una curva que muestre el
principio de transformación, otra curva que
indique el fin de la transformación y una curva
punteada entre ambas que señale 50 %
transformado. En la figura 3.11 se presenta un
ejemplo de conversión de curva S a diagrama
isotérmico.
Las principales curvas del diagrama se
dibujan con líneas gruesas para destacar que
su localización exacta sobre la escala del
tiempo no es precisa. A menudo tramos de
estas líneas se muestran como líneas
punteadas para indicar un grado de
incertidumbre mucho mayor. El tiempo se
grafica sobre una escala logarítmica, de
manera que periodos de minutos o menos, asi
como periodos de un día o de una semana,
pueden fijarse en un espacio razonable y
además permitan una escala abierta en la
región de periodos cortos. La temperatura
desempeña un papel muy importante en los
porcentajes de transformación de austenita en
su estado inestable a cualquier producto, ya
sea bainita o perlita.
5.10 PRODUCTOS DE
TRANSFORMACION. Se puede ver una línea horizontal en la figura
3.12. A temperaturas superiores a la marcada
por esta línea y para todos los tiempos, solo
va a existir austenita. La transformación de
Figura 3.11 Ejemplo de conversión de la curva S a un diagrama
isotérmico
87
austenita a perlita ocurrirá únicamente si se
realiza un enfriamiento por debajo de esta
línea. Como indican las curvas, el tiempo
necesario para que empiece y termine la
transformación depende de la temperatura.
A la izquierda de la curva de inicio de
transformación existirá solo austenita,
mientras que a la derecha de la curva de
transformación únicamente existirá perlita. En
medio, la austenita esta en proceso de
cambio a perlita, y por tanto, ambos
constituyentes están presentes. Después de
un tratamiento térmico, podemos localizar los
productos en la figura 3.13. Debemos notar
que, dada la transformación al 100 % de la
austenita, el producto una ves formado
permanece aun después del enfriamiento.
Estas aseveraciones no se cumple para la
martensita, ya que es una fase metaestable
con el tiempo, pero si se recalienta, se puede
descomponer e fases más estables de ferrita
y martensita.
Figura 3.12 Productos de transformación
88
Figura 3.13 Productos de transformación
Figura 3.14 Diagrama TTT para un acero 1080.
89
En la figura 9.14 se muestra el diagrama TTT
para un acero 1080. Por arriba de As, la
austenita es estable. El área a la izquierda del
principio de la transformación (A) esta
constituida de austenita inestable, el área de
la derecha de la línea de fin de transformación
es el producto al que se transformara la
austenita a una temperatura constante; y el
área entre el principio y el fin de la
transformación marcada por A +F + C consta
de tres fases: austenita, ferrita y carburo, o
también puede visualizarse como austenita y
el producto al que se transforma. El punto al
principio de la línea de transformación mas
cercano al eje de temperaturas se conoce
como "nariz del diagrama". La temperatura.
La temperatura Ms se indica como una line a
horizontal. Las flechas que apuntan hacia la
escala de temperaturas señalan la
temperatura a que 50 y 90 % de la austenita
total se habrá transformado en martensita;
cabe notar que para que esto ocurra es
necesario enfriar a altas velocidades.
La martensita es el constituyente típico de los
aceros templados. Está formada por una
solución solida sobresaturada de carbono o
carbono de hierro alfa, y se obtiene por
enfriamiento rápido de los aceros desde altas
temperaturas. Su contenido en carbono suele
variar generalmente desde pequeñas trazas
hasta 1 % de C, y algunas veces en los
aceros hipoeutectoides suele ser aun más
elevado. Después de los carburos y de la
cementita, es el constituyente más duro de los
aceros. Presenta un aspecto marcadamente
acicular, formando agujas en zigzag.
El diagrama de fases para un acero
hipoeutectoides se muestra en la figura 3.15.
En este caso se observa una line adicional
por encima de la región de la nariz que está
directamente relacionada con la
transformación de la austenita o ferrita
proeutectoide en aceros hipoeutectoides o a
cementita proeutectoide en aceros
hipereutectoides.
Figura 3.15 Diagrama TTT para un acero hipoeutectoide 1050
90
En el diagrama de la figura 3.16 se observa
que el producto de transformación por encima
de la región de la nariz es perlita. Por debajo
de la line As se forma perlita laminar gruesa.
Conforme la temperatura de transformación
disminuye, la estructura laminar característica
se mantiene; el incremento en la separación
de las capas ferrita y carburo disminuye
progresivamente hasta que la separación de
las capas de ferrita y cementita se reduce en
forma progresiva y la estructura laminar se
vuelve extremadamente fina. A temperaturas
inferiores aparece un nuevo agregado de
ferrita y cementita; la bainita, nucleada por un
cristal de ferrita, a diferencia de la perlita que
es nucleada por un cristal de cementita. La
bainita es producto de la transformación
isotérmica de la austenita. De todos los
constituyentes, la bainita es el ultimo que se
ha descubierto. Se pueden diferenciar dos
tipos de estructuras; la bainita superior de
aspecto arborescente, formada a 500 - 550 °C
y que difiere bastante de la bainita inferior,
formada a más baja temperatura entre 250 -
400 °C con un aspecto acicular bastante
parecido a la martensita.
Otros dos productos de la transformación de
la austenita son: la sorbita, obtenida por el
enfriamiento de la austenita a velocidad muy
inferir a la crítica de temple o por la
transformación isotérmica de la austenita, y la
trostita, obtenida por el enfriamiento de la
austenita a una velocidad ligeramente inferior
a la crítica de temple. La sorbita es un
agregado fino de cementita y hierro alfa. Con
grandes amplificaciones en el microscopio se
ve en forma de pequeños gusanillos y a veces
como granos blancos muy finos sobre un
fondo oscuro. A veces se confunde con la
perlita y aparece muy a menudo en la
estructura de los aceros hipoeutectoides e
hipereutectoides normalizados o recocidos,
pero se diferencia de aquella por su aspecto
más confuso. Es el constituyente de casi
todos los aceros forjados y laminados, pues la
velocidad de enfriamiento en estos procesos
no suele ser suficientemente lenta para la
formación de la perlita
Figura 3.16 Diagrama TTT para un acero hipereutectoide 1095
91
La trostita es un agregado extremadamente
fino de cementita y de hierro alfa. Se produce
por enfriamiento de la austenita a velocidad
algo inferior a la crítica de temple, o por
transformación isotérmica de la austenita. A
parece en los aceros enfriados desde el
estado austenítico a velocidades ligeramente
inferiores a las de temple y en el corazón de
grandes piezas templadas en agua y de otras
pequeñas templadas en aceite. Sus
propiedades físicas son intermedias entre la
martensita la sorbita. Es magnética y un
constituyente nodular, oscuro y con estructura
radial, y aparece por lo general acompañando
a la martensita y a la austenita y situándose
en los contornos de los cristales. Examinada
con grandes aumentos, se puede apreciar la
presencia de laminillas que revelan la
existencia de una estructura análoga a la de
la perlita, orientada hacia un nódulo central.
Las curvas S de los aceros ayudan a
comprender las transformaciones que ocurren
durante los tratamientos térmicos, no solo en
los convencionales, como el recocido, el
normalizado y el temple sino también en los
tratamientos isotérmicos. Por ejemplo para
realizar un buen temple, se comprende
mediante estas curvas la necesidad de que
sea rápida la velocidad de enfriamiento del
acero, y que se obtendrá una estructura 100%
martensítica si la curva de enfriamiento no
llega a tocar la nariz de S y no se transforma
con esto la austenita en otro constituyente
diferente de la martensita. También se
entiende porque aparecen diferentes
estructuras en la superficie y en el centro de
las piezas templadas, sobre todo en aquellas
de grandes espesores. Por su parte, los
tratamientos isotérmicos son temples
escalonados con los que se consigue no
solamente la martensita, sino estructuras de
gran dureza, como la bainita.
5.11 DIAGRAMAS DE ENFRIAMIENTO
CONTINUO. Se debe tener cuidado al usar las curvas de
transformación isotérmica para estimar las
microestructuras que se forman. Los
diagramas TTT se construyen suponiendo
que el material se mantuvo en el campo de
una fase enfriada al instante a una
temperatura determinada y después se
mantuvo durante distintos tiempos obteniendo
diversas cantidades de producto
transformado. Los diagramas TTT no se
construyen bajo condiciones de enfriamiento
continuo y no se beben utilizar para estimar
con rigor las microestructuras resultantes del
enfriamiento. Un diagrama TTT tiene
aplicación restringida en las operaciones
industriales, en las que componentes grandes
y de formas complicadas no son sometidos a
un enfriamiento instantáneo ni uniforme. Para
el caso anterior deben emplearse diagramas
construidos con velocidades de enfriamiento
no instantáneo ni uniforme.
La influencia de la velocidad de enfriamiento
durante los tratamientos térmicos, antes
mencionada, se puede estudiar en los
denominados diagramas de
transformaciones en el enfriamiento
continuo (diagramas TEC). En la figura 3.17
se muestra el diagrama de enfriamiento
continuo para un acero 1017 a 1020; se
puede desarrollar un diagrama de este tipo
determinando las micro estructuras
producidas en un acero cuando se enfría a
diferentes velocidades.
92
Figura 9.17 Diagrama TEC para un acero 1017 - 1020
93
MANUAL DE PRÁCTICAS
DE LA
Unidad de aprendizaje:
MATERIALES INDUSTRIALES
3ER SEMESTRE
Carrera: Técnico En Mantenimiento Industrial
De acuerdo al Plan de Estudios 2008
94
OBJETIVO GENERAL
El presente manual de prácticas tiene como objetivo principal el de complementar el proceso de
enseñanza aprendizaje del alumno, llevando los conocimientos que se adquirieron en la teoría a
la práctica, por medio de actividades de investigación, análisis y aplicación de actividades
manipulables, con el fin de que el alumno adquiera los conocimientos prácticos, habilidades y
destrezas con calidad y eficiencia, los cuales aplicara en su vida profesional.
95
Integrantes del equipo:
1. Calificación:
2.
3.
4.
5
Grupo: TIEMPO
No. EQUIPO 2 HRS
PRACTICA No.
1
TITULO DE LA PRACTICA: Seguridad e higiene en el taller de mantenimiento industrial
COMPETENCIA A DESARROLLAR :
Representar gráficamente las instalaciones del taller de mantenimiento industrial así como reconocer las condiciones en las que se encuentran.
LUGAR DE REALIZACION:
Taller de mantenimiento industrial
MATERIAL, EQUIPO Y HERRAMIENTA REQUERIDOS
Libreta u hojas
Lápizo pluma
Escuadras
Colores
Goma
PROCEDIMIENTO:
1.- Organización: Formar equipo de cinco personas. 2.- Instrucciones: Dentro del taller de mantenimiento industrial reconocer las ares en donde se realizan las practicas y los espacios destinados a la impartición de clase, mediante un croquis de estos espacios describir sus instalaciones y equipos de tal manera que se puedan dar cuenta de las condiciones en las que se encuentran, indicando los posibles riegos que se podrían presentar así como opiniones de cómo eliminar estos posibles riesgos.
96
PRODUCTOS A OBTENER Y CARACTERÍSTICAS DE PRESENTACION
Reporte escrito que contendrá lo siguiente:
Portada
a) Nombre de: la institución, la escuela, del taller y la unidad de aprendizaje b) Número de la práctica c) Título. d) Nombre de los integrantes del equipo. e) Grupo. f) Nombre de profesor
Croquis
a) Deberá tener indicadas las caracteristecas básicas en cuanto a las normativas que deben existir en un area industrial
Observaciones
a) Las condiciones y características observadas dentro de las instalaciones deberán estar en apartados diferentes al del croquis así como las recomendación (anexar la hoja firmada en la práctica)
Cuestionario. a) Las instalaciones del taller cuentan con las normativas de un lugar como este. b) En que normas encontraste la información. c) Los desechos de tipo industrial como deben ser procesados (se pueden reciclar y en que
lugares se pueden procesar) d) Que elementos de seguridad añadirías e) Que elementos de protección son necesarios para una correcta utilización de equipo y
herramientas así como una estancia segura en el taller
Conclusiones. f) Las conclusiones deberán ser individuales indicando el nombre de cada miembro del
equipo.
Entrega de la práctica: .
Nota: Para cualquier aclaración o duda al correo ([email protected]) o en la escuela
97
Integrantes del equipo:
1. Calificación:
2.
3.
4.
5
Grupo: TIEMPO
No. EQUIPO 2 HRS
PRACTICA No.
2
TITULO DE LA PRACTICA: Pruebas de resistencia aplicada a termoplásticos plásticos
COMPETENCIA A DESARROLLAR :
Simular las pruebas mecánicas a probetas, de diferentes materiales
LUGAR DE REALIZACION: Laboratorio de control numérico.
MATERIAL, EQUIPO Y HERRAMIENTA REQUERIDOS
Libreta u hojas
Lápiz o pluma
Formato de practica
PROCEDIMIENTO:
1.- Organización: De forma individual 2.- Instrucciones: Mediante la utilización de un software CAD, se realizaran las pruebas de resistencia mecánica para probetas de diferente material. a) El profesor indicara por medio de un ejemplo la forma de realizar la probeta en el software y la forma de cómo aplicar los esfuerzos mecánicos a la probeta. b) Realizar pruebas de tensión, compresión y torsión, para los siguientes materiales: Polipropileno, Polietileno, Poliestíreno, policloruró de vinilo, teflón y nylon. Anotar en el siguiente cuadro los datos obtenidos en las pruebas realizadas. c) Realizar el dibujo de la probeta, imprimir las graficas indicadas por el profesor y anexarlas a la práctica.
98
PRODUCTOS A OBTENER Y CARACTERÍSTICAS DE PRESENTACION
Reporte escrito que contendrá lo siguiente:
Portada g) Nombre de: la institución, la escuela, del taller y la unidad de aprendizaje h) Número de la práctica i) Título. j) Nombre de los integrantes del equipo. k) Grupo. l) Nombre de profesor
Contenido a) Deberá contener completo los cuadros con la información que se pide Valores arrojados
por el software.
Observaciones a) Indicar los fenómenos y pruebas que se utilizaron para identificar los polímeros de la
práctica. Así como indicar que significan estos resultados entre polímeros.
Conclusiones. a) Las conclusiones deberán ser individuales indicando el nombre de cada miembro del
equipo.
Bibliografía. a) Indicar los libros y paginas utilizados para recopilar la información
Entrega de la práctica:
([email protected]) o en la escuela
99
ENSAYO DE TENSION
Tensión Principal Desplazamiento Deformaciones Unitarias
Material Mínima Máxima Mínima Máxima Mínima Máxima
ENSAYO DE COMPRESION
Tensión Principal Desplazamiento Deformaciones Unitarias
Material Mínima Máxima Mínima Máxima Mínima Máxima
ENSAYO DE TORSION
Tensión Principal Desplazamiento Deformaciones Unitarias
Material Mínima Máxima Mínima Máxima Mínima Máxima
100
Integrantes del equipo:
1. Calificación:
2.
3.
4.
5
Grupo: TIEMPO
No. EQUIPO 2 HRS
PRACTICA No.
3
TITULO DE LA PRACTICA: Interpretación de tablas de propiedades de los termoplásticos
COMPETENCIA A DESARROLLAR :
El alumno identificara por medio de las características y usos los polímeros de las muestras que se tienen.
LUGAR DE REALIZACION: Taller de mantenimiento industrial
MATERIAL, EQUIPO Y HERRAMIENTA REQUERIDOS
Libreta u hojas
Lápiz o pluma
Escuadras
Colores
Goma
Practica
Bata
Gogles
PROCEDIMIENTO:
1.- Organización: Formar equipo de cinco personas. 2.- Instrucciones: Dentro del taller de mantenimiento industrial reconocer propiedades de las muestra que se tienes indicando con ayuda de la tabla de propiedades las características que se piden.
101
PRODUCTOS A OBTENER Y CARACTERÍSTICAS DE PRESENTACION
Reporte escrito que contendrá lo siguiente:
Portada
a) Nombre de: la institución, la escuela, del taller y la unidad de aprendizaje b) Número de la práctica c) Título. d) Nombre de los integrantes del equipo. e) Grupo. f) Nombre de profesor
Contenido
b) Deberá contener completo los cuadros con la información que se pide (características particulares de cada polímero enlistado)
Observaciones
b) Indicar los fenómenos y pruebas que se utilizaron para identificar los polímeros de la practica.
Conclusiones. b) Las conclusiones deberán ser individuales indicando el nombre de cada miembro del
equipo.
Bibliografía.
b) Indicar los libros y paginas utilizados para recopilar la información
Entrega de la práctica:
Nota: Para cualquier aclaración o duda al correo ([email protected]) o en la escuela
102
Nombre Símbolo Características particulares Usos Resinas poliacetales o polioximetilénicas
POM En la industria eléctrica, electrónica, mecánica, automotriz, farmacéutica
Acrilonitrilo-butadieno-estireno
ABS Se aplica en la industria mecánica, química, textil, eléctrica, automotriz, radio, televisores, teléfonos, aparatos domésticos y de cocina
Estireno-acrilonitilo SAN Cajas y diversas piezas de aparatos de oficina y domésticos, aparatos de radio y televisores, aparatos electrónicos de sonido, artículos domésticos y vajillas de calidad
Poliestireno o vinilbenceno
PS Recomendado en la industria alimenticia, metalizado, encolado, decorado, juguetes, artículos de cocina, industria eléctrica y electrónica
Polietileno PE LD Y HD
Se emplea en la industria alimenticia, textil, química, automotriz, construcción, eléctrica y electrónica, en la cocina.
Polipropileno PP Útiles en piezas industriales componentes eléctricos, aparatos químicos, cuerpos huecos, tubos, piezas resistentes al agua caliente artículos para cocina, envases distintos, juguetes, industria textil y automovilística, decoración y mobiliario, construcción, cintas para embalaje, papelería, aviación, películas termorretráctiles
Poli-4-metil-penteno-1 PMP Accesorios transparentes y esterilizados (jeringas, palanganas, buretas, vasos, cilindros, etc.) para hospitales, laboratorios e industria alimenticia; artículos transparentes para la industria eléctrica y electrónica; tapas de radiadores luces internas para automóviles bobinas para teñido de tejidos (especialmente poliésteres); películas para conservar alimentos que luego requieren un precalentamiento en el horno hasta 200°c
Policarbonato PC Útil Para piezas de aislamiento y obertura con gran tenacidad y con gran tenacidad y gran estabilidad de forma al calor para la iluminación, industria eléctrica y del automóvil, aparatos esterilizables para uso medico cascos de seguridad, objetos con elevadas exigencias para uso domestico, núcleos de bobinas.
Acetato de celulosa CA Artículos para ropa, como botones, artículos de tocador, monturas para gafas, mangos para herramientas y cubiertos, guarniciones para muebles revestimiento de volantes, juguetes tacones para zapatos de dama, accesorios eléctricos, artículos de escritorio, cajas para aparatos domésticos, de radio y fonografía.
Poliuretanos lineales PU Se emplea en la fabricación de fuelles, tubos hidráulicos, parachoques, juntas, empaquetadoras, engranajes, ruedas especiales, puntas de zapatos femeninos, pinturas y adhesivos.
103
Imagen de la probeta (foto)
Ensayo con flama
Color de la flama Tiempo para fundir la probeta
Color del humo Tipo de polímero
Imagen de la probeta (foto)
Ensayo de impacto
Tipo de ruptura Profundidad Dureza Tipo de polímero
Imagen de la probeta (foto)
Ensayo de elasticidad
Longitud antes de la prueba
Longitud después de la prueba
Variación de longitud
Tipo de polímero
104
Integrantes del equipo:
1. Calificación:
2.
3.
4.
5
Grupo: TIEMPO
No. EQUIPO 2 HRS
PRACTICA No.
4
TITULO DE LA PRACTICA: Pruebas de resistencia aplicada a termoestables
COMPETENCIA A DESARROLLAR :
Simular las pruebas mecánicas a probetas, de diferentes materiales
LUGAR DE REALIZACION: Laboratorio de control numérico.
MATERIAL, EQUIPO Y HERRAMIENTA REQUERIDOS
Libreta u hojas
Lápiz o pluma
Formato de practica
PROCEDIMIENTO:
1.- Organización: De forma individual 2.- Instrucciones: Mediante la utilización de un software CAD, se realizaran las pruebas de resistencia mecánica para probetas de diferente material. a) El profesor indicara por medio de un ejemplo la forma de realizar la probeta en el software y la forma de cómo aplicar los esfuerzos mecánicos a la probeta. b) Realizar pruebas de tensión, compresión y torsión, para los siguientes materiales: Caucho, Baquelita, Melanina, Poliuretano, Silicón. Anotar en el siguiente cuadro los datos obtenidos en las pruebas realizadas. c) Realizar el dibujo de la probeta, imprimir las graficas indicadas por el profesor y anexarlas a la práctica.
105
PRODUCTOS A OBTENER Y CARACTERÍSTICAS DE PRESENTACION
Reporte escrito que contendrá lo siguiente:
Portada m) Nombre de: la institución, la escuela, del taller y la unidad de aprendizaje n) Número de la práctica o) Título. p) Nombre de los integrantes del equipo. q) Grupo. r) Nombre de profesor
Contenido c) Deberá contener completo los cuadros con la información que se pide Valores arrojados
por el software.
Observaciones c) Indicar los fenómenos y pruebas que se utilizaron para identificar los polímeros de la
práctica. Así como indicar que significan estos resultados entre polímeros.
Conclusiones. c) Las conclusiones deberán ser individuales indicando el nombre de cada miembro del
equipo.
Bibliografía. c) Indicar los libros y paginas utilizados para recopilar la información
Entrega de la práctica:
([email protected]) o en la escuela
106
ENSAYO DE TENSION
Tensión Principal Desplazamiento Deformaciones Unitarias
Material Mínima Máxima Mínima Máxima Mínima Máxima
ENSAYO DE COMPRESION
Tensión Principal Desplazamiento Deformaciones Unitarias
Material Mínima Máxima Mínima Máxima Mínima Máxima
ENSAYO DE TORSION
Tensión Principal Desplazamiento Deformaciones Unitarias
Material Mínima Máxima Mínima Máxima Mínima Máxima
107
Integrantes del equipo:
1. Calificación:
2.
3.
4.
5
Grupo: TIEMPO
No. EQUIPO 2 HRS
PRACTICA No.
5
TITULO DE LA PRACTICA: Interpretación de tablas de propiedades de los termoestables
COMPETENCIA A DESARROLLAR :
El alumno identificara por medio de las características y usos los polímeros de las muestras que se tienen.
LUGAR DE REALIZACION: Taller de mantenimiento industrial
MATERIAL, EQUIPO Y HERRAMIENTA REQUERIDOS
Libreta u hojas
Lápiz o pluma
Escuadras
Colores
Goma
Practica
Bata
Gogles
PROCEDIMIENTO:
1.- Organización: Formar equipo de cinco personas. 2.- Instrucciones: Dentro del taller de mantenimiento industrial reconocer propiedades de las muestra que se tienes indicando con ayuda de la tabla de propiedades las características que se piden.
108
PRODUCTOS A OBTENER Y CARACTERÍSTICAS DE PRESENTACION
Reporte escrito que contendrá lo siguiente:
Portada
g) Nombre de: la institución, la escuela, del taller y la unidad de aprendizaje h) Número de la práctica i) Título. j) Nombre de los integrantes del equipo. k) Grupo. l) Nombre de profesor
Contenido
d) Deberá contener completo los cuadros con la información que se pide (características particulares de cada polímero enlistado)
Observaciones
d) Indicar los fenómenos y pruebas que se utilizaron para identificar los polímeros de la practica.
Conclusiones. d) Las conclusiones deberán ser individuales indicando el nombre de cada miembro del
equipo.
Bibliografía.
d) Indicar los libros y paginas utilizados para recopilar la información
Entrega de la práctica:
Nota: Para cualquier aclaración o duda al correo ([email protected]) o en la escuela
109
Nombre Símbolo Características particulares Usos Polimetil metacrilato o acrílico
PMMA Se utiliza en la industria alimenticia, por su falta de sabor y olor, en vidrios irrompibles, letreros publicitarios luminosos, baños y accesorios relativos, artículos decorativos y técnicos vidrios para gafas y relojes
Poliuretanos lineales PU Se emplea en la fabricación de fuelles, tubos hidráulicos, parachoques, juntas, empaquetadoras, engranajes, ruedas especiales, puntas de zapatos femeninos, pinturas y adhesivos.
Polifenilenóxido modificado
PPO mod Dada su estabilidad dimensional y térmica, este polímero se emplea en piezas de ingeniería, ruedas dentadas, rotores de bombas (para agua caliente), interruptores, bobinas piezas de maquinas para oficinas carcasas de televisores, palanganas, juntas, piezas que deben resistir a la esterilización, manufacturas higiénico-sanitarias, grifos, bornes, pernos.
Polisulfona PPSU Uso en ingeniería y artículos técnicos, industria eléctrica y electrónica, para interruptores, bobinas, termostatos, alarmas antirrobo, temporizadores, placas de bornes, pilas de combustión, piezas de ordenadores y componentes de televisores y tocadiscos, mangos de cuchillos, para empleo en electricidad, planchas, piezas de secadoras de pelo, se emplea mucho en el sector automovilístico y de aviación, en electrodomésticos como recubrimientos y aislamiento de cables.
Polietoxilinicas -epoxi Se usa para encapsulados, aislantes eléctricos, matrices y herramientas, elementos para electricidad y electrónica, componentes de aviones y vehículos espaciales, cañerías, industria química, tanques de transporte y almacenamiento, revestimiento.
Fenólica PF Laminados para electricidad, circuitos impresos, partes de transmisores, aplicaciones para alta temperatura.
Siliconas SI Barreras contra el calor en motores a región y cohetes; en electrónica y electricidad.
Melamina MF Equipos eléctricos.
Furánica ----- Equipos para la industria química
Acrílicas ---- Especialmente, chapas y paneles para la construcción.
110
Imagen de la probeta (foto)
Ensayo con flama
Color de la flama Tiempo para fundir la probeta
Color del humo Tipo de polímero
Imagen de la probeta (foto)
Ensayo de impacto
Tipo de ruptura Profundidad Dureza Tipo de polímero
Imagen de la probeta (foto)
Ensayo de elasticidad
Longitud antes de la prueba
Longitud después de la prueba
Variación de longitud
Tipo de polímero
111
Integrantes del equipo:
1. Calificación:
2.
3.
4.
5
Grupo: TIEMPO
No. EQUIPO 2 HRS
PRACTICA No.
6
TITULO DE LA PRACTICA: Selección del material en base a norma SAE y AISI
COMPETENCIA A DESARROLLAR :
El alumno identificara por medio de las características y usos materiales empleados en diferentes procesos.
LUGAR DE REALIZACION: Taller de mantenimiento industrial
MATERIAL, EQUIPO Y HERRAMIENTA REQUERIDOS
Libreta u hojas
Lápiz o pluma
Escuadras
Colores
Goma
Practica
Bata
Gogles
Placa de aluminio
Placa de laton
PROCEDIMIENTO:
1.- Organización: Formar equipo de cinco personas. 2.- Instrucciones: Dentro del taller de mantenimiento industrial copiar las tablas de propiedades de materiales según su normativa. y con las placas que el profesor solicite se realizaran algunos procesos de mecanizado en el cual se podrán observar las propiedades físicas previamente estudiadas
112
PRODUCTOS A OBTENER Y CARACTERÍSTICAS DE PRESENTACION
Reporte escrito que contendrá lo siguiente:
Portada
m) Nombre de: la institución, la escuela, del taller y la unidad de aprendizaje n) Número de la práctica o) Título. p) Nombre de los integrantes del equipo. q) Grupo. r) Nombre de profesor
Introducción.
a) Deberá contener una breve descripción del contenido de la práctica.
Conceptos.
a) Deberá contener los conceptos básicos utilizados en la realización de la practica (ejemplo: que es una norma, que es el SAE y AISI, y embase a que se dan estas normas etc.)
Desarrollo. a) Deberá contener las acciones realizadas a los largo de la practica y observaciones
realizadas a lo largo de esta.
b) Deberá contener completo los cuadros con la información que se pide (características particulares de cada material)
Observaciones
a) Indicar las diferencias entre las dos normas y cual consideras mejor y porque.
Conclusiones. a) Las conclusiones deberán ser individuales indicando el nombre de cada miembro del
equipo.
Bibliografía.
a) Indicar los libros y páginas de internet utilizados para recopilar la información
Entrega de la práctica:
Nota: Para cualquier aclaración o duda al correo ([email protected]) o en la escuela
113
Integrantes del equipo:
1. Calificación:
2.
3.
4.
5
Grupo: TIEMPO
No. EQUIPO 2 HRS
PRACTICA No.
7
TITULO DE LA PRACTICA: Selección del material en base a propiedades físicas y mecánicas
COMPETENCIA A DESARROLLAR :
El alumno identificara por medio de las pruebas físicas las propiedades y comportamientos de diferentes materiales ferrosos.
LUGAR DE REALIZACION: Laboratorio de maquinas de control numérico
MATERIAL, EQUIPO Y HERRAMIENTA REQUERIDOS
Libreta u hojas
Lápiz o pluma
Goma
Practica
114
PRODUCTOS A OBTENER Y CARACTERÍSTICAS DE PRESENTACION
Reporte escrito que contendrá lo siguiente:
Portada a) Nombre de: la institución, la escuela, del taller y la unidad de aprendizaje b) Número de la práctica c) Título. d) Nombre de los integrantes del equipo. e) Grupo. f) Nombre de profesor
Trabajo. a) Introducción (Breve reseña de lo que se encontrara en el trabajo escrito) b) Marco teórico acerca del tema (conceptos generales y aplicaciones). c) Desarrollo Deberá contener las acciones realizadas a los largo de la practica y
observaciones realizadas a lo largo de esta,diagramas, dibujos fotos o ilustraciones (diagramas en software o a lápiz o tinta)
d) Cuestionario resuelto. e) Conclusiones referentes a la práctica, de manera individual. f) Bibliografía.
Entrega de la práctica:
Nota: Para cualquier aclaración o duda al correo ([email protected]) o en la escuela
115
1.- Organización: Formar equipo de cinco personas.
2.- Instrucciones: Evalué el comportamiento mecánico del ensamble de la figura. Descargue el ensamble
del correo que se anexo con esta práctica.
ASPECTOS A ESTUDIAR
Cargar solidworks simulations y sus barras de herramientas como en la practica 2.
Asignar un material a cada una de las piezas del dibujo.
Crear un estudio de análisis estático.
Aplicar sujeciones y cargas sobre el modelo.
Definir las características del mallado.
Ejecutar el estudio.
Ver resultado de tensiones en el modelo.
1.- Acticacion de Solidworks Simulation y abrir el modelo a analizar.
Active el complemento Solidworks Simulations desde el menú herramientas complementos.
Descargue el modelo del correo anexo a esta practica.
116
En asesor de sujeciones seleccionamos geometría fija y la geometría a seleccionar será la cara de la
rueda.
En asesor de cargas seleccionamos fuerza, las geometrías a seleccionar son los dos pernos de los
extremos, la opción de la fuerza será dirección seleccionada “Vista lateral”, unidades SI Fuerza 2500
N.
En ejecutar seleccionar ejecutar y ver los resultados obtenidos por esta simulación.
Contestar el siguiente cuestionario:
1.- En el diagrama de Tensiones cual es la pieza que más se deforma, ¿Por qué?, y cuál es su valor.
2.- En este mismo diagrama cual es la pieza que menos se deforma y en que parte. Y cuál es su valor.
3.-En el diagrama de desplazamientos en donde es donde se observa una mayor presencia de estos y ¿Por
qué? Y su valor
4.- En que elemento ocurre la mayor deformación. Y cuál es su valor
5.- Cual fue el material que presento menores cambios en todas las graficas y ¿Por qué?
6.- Si se realizara de nuevo el estudio pero con el material que menos cambios presento, cuales serian los
datos obtenidos en comparación con los materiales originales.
7.- Cual es el contenido de carbono y aleaciones para los materiales utilizados durante el ensayo.
8.- Una vez obtenidos los porcentajes de los materiales explica con tus palabras el comportamiento de cada
uno de estos e función a la carga y su geometría.
9.- Investiga un uso práctico al modelo empleado y que uso tendrías en una situación real para una
herramienta como esta.
117
Integrantes del equipo:
1. Calificación:
2.
3.
4.
5
Grupo: TIEMPO
No. EQUIPO 2 HRS
PRACTICA No.
8
TITULO DE LA PRACTICA: Selección del material en base a especificaciones del fabricante.
COMPETENCIA A DESARROLLAR :
El alumno conocerá las especificaciones que los fabricantes de materiales de ingeniería otorgan a sus productos así como las recomendaciones que estos dan al usuario para un mejor procesamiento.
LUGAR DE REALIZACION: Ambiente virtual
MATERIAL, EQUIPO Y HERRAMIENTA REQUERIDOS
Computadora con acceso a internet
Practica
118
PROCEDIMIENTO:
1.- Organización: Formar equipo de cinco personas. 2.- Instrucciones:Entrar a la página siguiente:http://www.tbh.mx/ Una vez dentro contesta el siguiente cuestionario:
1. ¿Esta empresa cuenta con certificación de algún tipo? 2. ¿Qué es una norma iso y para que sirve? 3. ¿Si una empresa o institución esta certificada el cliente que gana con esto? 4. ¿Dentro de sus productos que aceros al carbón manejan y que aceros inoxidables? 5. ¿Cuáles aparecen en las tablas AISI que se vieron anteriormente? 6. ¿En un acero para que nos sirven cada uno de los siguientes aleantes: Manganeso (Mn),
Fosforo (P), Silicio (Si), Azufre (s), Cromo (Cr), Molibdeno (Mo), Níquel (Ni)? 7. ¿Dentro de los aceros al carbono y aceros inoxidables que maneja este proveedor cual es
la diferencia en el porcentaje de cromo para estos materiales? 8. ¿Dentro de la nomenclatura de aceros inoxidables que indica la letra L? 9. ¿Qué diferencia en el porcentaje de carbono existe entre los aceros de la familia 1020 a
1045, con respecto a los de la familia 4140? 10. ¿Qué rangos de dureza manejan para sus productos? 11. ¿Sirve de algo conocer la dureza de cada materia? ¿por qué?
Reporte escrito que contendrá lo siguiente:
Portada s) Nombre de: la institución, la escuela, del taller y la unidad de aprendizaje t) Número de la práctica u) Título. v) Nombre de los integrantes del equipo. w) Grupo. x) Nombre de profesor
Introducción. b) Deberá contener una breve descripción del contenido de la práctica.
Conceptos. b) Deberá contener los conceptos básicos utilizados en la realización de la practica (si es
necesario)
Desarrollo. c) Deberá contener el cuestionario contestado
Conclusiones. b) Las conclusiones deberán ser individuales indicando el nombre de cada miembro del
equipo.
Bibliografía. b) Indicar los libros y páginas de internet utilizados para recopilar la información
Entrega de la práctica:
Nota: Para cualquier aclaración o duda al correo ([email protected]) o en la escuela
119
Integrantes del equipo:
1. Calificación:
2.
3.
4.
5
Grupo: TIEMPO
No. EQUIPO 2 HRS
PRACTICA No.
9
TITULO DE LA PRACTICA: Selección del material en base a propiedades físicas y mecánicas obtenidas en ensayos
COMPETENCIA A DESARROLLAR :
El alumno conocerá las características y propiedades de algunos materiales mediante la fabricación de una pieza metálica
LUGAR DE REALIZACION: Taller de Mantenimiento Industrial.
MATERIAL, EQUIPO Y HERRAMIENTA REQUERIDOS
Placa de acero SW55 2”x1”x 3/16”
Practica
Bata
Segueta
Juego de limas de joyero
120
PROCEDIMIENTO:
1.- Organización: Formar equipo de cinco personas. 2.- Instrucciones: En la placa de acero que el profesor indicara se realizara Un llavero con las especificaciones que el profesor indique:
Se cortara las partes que sobren con el arco con segueta y se procederán a realizar los barrenos con el taladro de columna, los acabados se realizaran con las limas de joyero y por último se procederá a pulir, con las siguientes lijas, lija de esmeril de grano fino, lija de agua de grano 500 u 800. Contestar las siguientes preguntas: 1.- ¿Que propiedades tiene el acero que se está utilizando parea realizar esta práctica? 2.- ¿Cuál es la composición de este tipo de acero según el fabricante o la norma AISI? 3.- ¿Por qué medios se recomienda templar este acero? 5.- ¿Cuál es la máxima dureza que puede llegar a alcanzar este acero? 6.- ¿Qué escala de dureza se utiliza para este acero? Y ¿Por qué? Reporte escrito que contendrá lo siguiente:
Portada a) Nombre de: la institución, la escuela, del taller y la unidad de aprendizaje b) Número de la práctica c) Título. d) Nombre de los integrantes del equipo. e) Grupo. f) Nombre de profesor
Introducción. a) Deberá contener una breve descripción del contenido de la práctica.
Conceptos. c) Deberá contener los conceptos básicos utilizados en la realización de la practica (si es
necesario)
Desarrollo. a) Deberá contener el cuestionario contestado b) Deberá contener fotos con el desarrollo de la practica
Conclusiones. c) Las conclusiones deberán ser individuales indicando el nombre de cada miembro del
equipo.
Bibliografía. b) Indicar los libros y páginas de internet utilizados para recopilar la información
Entrega de la práctica:
Nota: Para cualquier aclaración o duda al correo ([email protected]) o en la escuela
121
Integrantes del equipo:
1. Calificación:
2.
3.
4.
5
Grupo: TIEMPO
No. EQUIPO 2 HRS
PRACTICA No.
10
TITULO DE LA PRACTICA: Selección del tratamiento térmico de acuerdo a especificaciones del fabricante
COMPETENCIA A DESARROLLAR :
El alumno conocerá las identificara y desarrollara las características para un tratamiento térmico
LUGAR DE REALIZACION: Taller de Mantenimiento Industrial.
MATERIAL, EQUIPO Y HERRAMIENTA REQUERIDOS
Placa de acero SW55 2”x1”x 3/16”
Practica
Bata
Segueta
Juego de limas de joyero
122
PROCEDIMIENTO:
1.- Organización: Formar equipo de cinco personas. 2.- Instrucciones: En la placa de acero que previamente utilizada para el llavero se buscaran las propiedades de esta y en base a estas el alumno realizara el tratamiento térmico para este material
Contestar las siguientes preguntas: 1.- ¿En función a que se diseña un tratamiento térmico? 2.- ¿A qué temperatura se templo? 3.- ¿Durante cuánto tiempo se mantuvo en el horno? 4.- ¿En qué medio se recomienda el enfriamiento? 5.- ¿Alcanzo la dureza que se debió obtener? 6.- ¿Que estructura logro este acero? Y ¿Por qué? Reporte escrito que contendrá lo siguiente:
Portada g) Nombre de: la institución, la escuela, del taller y la unidad de aprendizaje h) Número de la práctica i) Título. j) Nombre de los integrantes del equipo. k) Grupo. l) Nombre de profesor
Introducción. c) Deberá contener una breve descripción del contenido de la práctica.
Conceptos. d) Deberá contener los conceptos básicos utilizados en la realización de la practica (si es
necesario)
Desarrollo. c) Deberá contener el cuestionario contestado d) Deberá contener fotos con el desarrollo de la practica
Conclusiones. d) Las conclusiones deberán ser individuales indicando el nombre de cada miembro del
equipo.
Bibliografía. d) Indicar los libros y páginas de internet utilizados para recopilar la información
Entrega de la práctica:
Nota: Para cualquier aclaración o duda al correo ([email protected]) o en la escuela
123
Contenido
PROLOGO ---------------------------------- 1
1 HIGIENE Y SEGURIDAD
INDUSTRIAL ------------------------------ 3
1.1 Concepto de higiene en el trabajo --------------- 3
1.2 Ramas de la higiene industrial. ------------------- 4
1.3 Evaluación ambiental. ------------------------------- 4
2 MATERIALES POLIMÉRICOS -------- 6
2.1 ANTECEDENTES. --------------------------------------- 6
2.2 MATERIALES POLIMERICOS. ----------------------- 7
2.3 POLIMEROS TERMOPLASTICOS Y
TERMOFIJOS. ---------------------------------------------- 10
2.4 POLIMEROS SEMICRISTALINOS Y AMORFOS.
----------------------------------------------------------------- 12
2.5 ESTADO LÍQUIDO CRISTALINO. ----------------- 17
2.6 POLIMEROS DE CRISTAL LÍQUIDO. ------------- 18
2.7 Elastómeros ------------------------------------------ 22
2.8 ADHESIVOS. ------------------------------------------ 22
2.9 PROCESAMIENTO DE POLÍMEROS. ------------ 23
2.10 MOLDEO POR INYECCIÓN----------------------- 23
2.11 EXTRUSION. ----------------------------------------- 26
2.12 MOLDEO POR SOPLADO ------------------------ 26
2.13 TERMOFORMADO. -------------------------------- 27
2.14 POLIMERIZACION POR CONDENSACION. -- 28
2.15 GRADO DE POLIMERIZACION. ----------------- 29
3 MATERIALES METALICOS. --------- 30
3.1 ALEACIONES FERROSAS. -------------------------- 30
3.2 ACEROS. ------------------------------------------------ 30
3.3 HIERROS COLADOS. -------------------------------- 31
3.4 FERROALEACIONES. -------------------------------- 32
3.5 ALEACIONES NO FERROSAS. --------------------- 32
3.6 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ---------- 32
3.7 PROPEDADES GENERALES. ------------- 33
3.8 PROPEDADES MECANICAS. ----------------------- 33
3.9 DUREZA. ----------------------------------------------- 33
3.10 DUREZA BRINELL. ---------------------------------- 35
3.11 DUREZA ROCKWELL ------------------------------- 36
3.12 MICRO DUREZA ------------------------------------ 38
3.13 ESFUERZOS Y DEFORMACIONES. ------------- 39
3.14 FRACTURA Y FATIGA. ----------------------------- 41
3.15 PROPIEDADES TÉRMICAS. ---------------------- 42
3.16 PROPIEDADES ELÉCTRICAS. --------------------- 43
3.17 PROPIEDADES ÓPTICAS. ------------------------- 44
4 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-
CARBURO DE HIERRO. ---------------- 45
4.1 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBURO DE
HIERRO ------------------------------------------------------ 45
4.2 MICROESTRUCTURAS DE LOS ACEROS. ------- 48
4.3 TRANSFORMACIONES DE FASE DURANTE EL
ENFRIAMIENTO. ------------------------------------------ 51
4.4 CLASIFICACIÓN DEL ACERO ----------------------- 53
124
4.4.1 ACEROS AL CARBONO. ----------------------- 53
4.4.2 ACEROS DE CONSTRUCCIÓN. -------------- 54
4.4.3 ACEROS DE BAJO CONTENIDO DE
CARBONO. ---------------------------------------------- 54
4.4.4 ACEROS AL CARBONO DE ALTA
MAQUINABILIDAD. ----------------------------------- 55
4.4.5 ACEROS ALEADOS. ---------------------------- 55
4.4.6 EFECTO DE LOS ELEMENTOS ALEANTES EN
EL ACERO. ----------------------------------------------- 55
4.4.7 CLASIFICACIÓN DE ACEROS AISI-SAE. ---- 56
4.4.8 ACEROS INOXIDABLES. ----------------------- 58
4.4.9 ACEROS PARA HERRAMIENTA. ------------ 59
4.4.10 HIERROS FUNDIDOS. ------------------------ 60
4.4.11 HIERRO FUNDIDO BLANCO. --------------- 61
4.4.12 HIERRO FUNDIDO MALEABLE. ----------- 62
4.4.13 HIERRO FUNDIDO GRIS. -------------------- 62
4.4.14 HIERRO FUNDIDO NODULAR. ------------ 63
4.5 MATERIALES NO FERROSOS --------------------- 64
4.6 METALES PESADOS --------------------------------- 64
4.6.1 PLOMO ------------------------------------------- 64
4.6.2 COBRE -------------------------------------------- 65
4.6.3 COBALTO ---------------------------------------- 66
4.6.4 ESTAÑO ------------------------------------------ 67
4.6.5 ZINC ----------------------------------------------- 67
4.6.6 CROMO ------------------------------------------ 68
4.7 Metales Ligeros -------------------------------------- 69
4.7.1 TITANIO ------------------------------------------ 69
4.7.2 ALUMINIO --------------------------------------- 69
4.8 METALES ULTRALIGEROS ------------------------- 71
4.8.1 MAGNESIO -------------------------------------- 71
5 LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y
EL DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN
ISOTÉRMICA DE LA AUSTENITA. --- 72
5.1 ETAPAS DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS.72
5.2 TRATAMIENTOS TERMICOS
CONVENCIONALES. -------------------------------------- 74
5.2.1 RECOCIDO. -------------------------------------- 74
5.3 NORMALIZADO -------------------------------------- 76
5.4 TEMPLE. ------------------------------------------------ 77
5.5 TEMPLABILIDAD ------------------------------------- 77
5.6 CURVAS DE TEMPLABILIDAD. -------------------- 79
5.7 REVENIDO --------------------------------------------- 81
5.8 TRATAMIENTOS ISOTERMICOS. ----------------- 82
5.9 TIEMPO-TRANSFORMACION. -------------------- 85
5.10 PRODUCTOS DE TRANSFORMACION.-------- 86
5.11 DIAGRAMAS DE ENFRIAMIENTO CONTINUO.
----------------------------------------------------------------- 91
MANUAL DE PRÁCTICAS -------------- 92