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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

3

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 .

5

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.

6

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

7

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.

8

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

10

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

11

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 (amontalvom98@gmail.com) 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:

(amontalvom98@gmail.com) 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 (amontalvom98@gmail.com) 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:

(amontalvom98@gmail.com) 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 (amontalvom98@gmail.com) 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 (amontalvom98@gmail.com) 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 (amontalvom98@gmail.com) 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 (amontalvom98@gmail.com) 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 (amontalvom98@gmail.com) 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 (amontalvom98@gmail.com) 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