INGENIERÍA DE MANUFACTURA

MATERIALES

OSCAR VÁSQUEZ / EVANS LLONTOP

EDAD DE PIEDRA, (2 500 000 a.C.- 3.000 a.C.) utilizaron materiales

como: madera, huesos y principalmente la piedra.

EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LOS MATERIALES

EDAD DEL COBRE, (4 0000 y 3000 a.C.) por encontrarse en la naturaleza

mezclado con otros metales se asume que el hombre comenzó la metalurgia

por casualidad al caer el fuego, construyó vasijas y armas. Contribuyó

desarrollo de la agricultura, ganadería y desarrollo de la minería.

EDAD DE BRONCE, (3 000 al 1 500 a.C.) se origina en la actual Armenia, y es

una aleación de cobre con estaño, lográndose un material más duro y

resistente.

EDAD DE HIERRO, (1 500 al 330 a.C.) es un metal mucho más duro y

duradero que el bronce, pero también necesita unas temperaturas mucho

mayores para su fundición; se utilizó para fabricar armas y herramientas,

permitiendo al hombre dominar mejor su medio y ampliar su horizonte.

ERA ESPACIAL, la etapa en la que vivimos dominada por la microelectrónica, y

el uso de nuevos materiales de uso en ingeniería espacial, más ligeros y

resistentes. Ej.: El grafeno sorprende por sus propiedades, alta conductividad

térmica, flexibilidad, dureza, tan ligero como la fibra de carbono

DURANTE MUCHOS AÑOS, hubo un progreso lento y demanda baja: se

utilizan otros materiales. A mediados del s.XVII con la Revolución Industrial

crece la demanda de hierro y acero.

La manera más general de clasificar los materiales es la siguiente:

a. Metálicos: Ferrosos y No ferrosos

b. No metálicos: Orgánicos e Inorgánicos

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

INDUSTRIALES

METÁLICOS NO METÁLICOS

FERROSOS NO FERROSOS

HIERRO

ACERO

FUNDICIONES

FERROALEACIONES

CONGLOMERADOS

FÉRREOS

PESADOS:

COBRE

BRONCE

LATÓN

ESTAÑO

PLOMO

CINC

CROMO

NIQUEL

LIGEROS:

ALUMINIO

TITANIO

ULTRALIGEROS:

MAGNESIO

BERILIO

PLÁSTICOS

MADERA

TEXTILES

PÉTREOS Y

CERÁMICOS

Son las características inherentes que permiten diferenciar un material de otros, desde el punto de vista del comportamiento mecánico de los materiales en ingeniería, y también describen la forma como un material se comporta frente a una fuerza externa aplicada, con el fin de conocer sus respectivas propiedades.

PROPIEDADES

LAS PROPIEDADES DE UN

MATERIAL

Dependen de:

• La estructura del material.

• Del proceso o procesos al que ha sido sometido.

• De la composición química.

CARACTERÍSTICAS DE LOS METALES

• Buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad.

• Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las

aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna propiedad

particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor

combinación de propiedades.

• El uso de metales puros es limitado, pues son blandos o tienden a corroerse.

Así, la mayor parte de los materiales metálicos comúnmente usados son

mezclas de dos o más metales elementales.

• 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 mezcla

sólida de metales o metaloides (elementos que no se pueden clasificar como

metales o como no metales), se denomina aleación.

MATERIALES

METÁLICOS

Características o Su principal componente es el fierro.

o Tiene gran resistencia a la tensión y dureza.

o Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio.

o Los principales productos representantes de los materiales metálicos son: La Fundición de hierro gris, fundición de hierro blanco, Hierro maleable y Aceros

o Su temperatura de fusión va desde los 1360 °C hasta los 1425 °C y uno de sus principales problemas es la corrosión.

MATERIALES METÁLICOS

FERROSOS

Aleaciones Férreas • Son las sustancias férreas que han sufrido un proceso

metalúrgico. También llamados productos siderúrgicos. • Se clasifican en: Hierro. Aceros. Fundiciones. Ferro

aleaciones. Aleaciones férreas especiales. • Los aceros y fundiciones son los empleados por

excelencia en la fabricación mecánica.

HIERRO

• Nombre de un elemento químico, blanco-gris, punto de fusión

1530 ° C, punto de ebullición 2450° C, magnético hasta los 770° C, resistencia a la tracción 25 Kg /mm2.

• También aplica a los hierros industriales que son productos siderúrgicos de los que solamente con carácter de impurezas pueden formar parte otros elementos.

• El hierro puro carece de una gran variedad de usos industriales debido a sus bajas características mecánicas y la dificultad de su obtención.

ACERO • Es una aleación de hierro y carbono, que puede contener

otros elementos, en la que el contenido de carbono oscila entre 0.1 a 1.7 %, no rebasa el límite de su saturación al solidificar quedando todo él en solución sólida.

• El carbono es el elemento principal que modifica las características mecánicas del acero, cuanto mayor es el porcentaje de carbono mayores serán la resistencia y la dureza del acero, pero también será más frágil y menos dúctil.

COMPOSICIÓN DEL ACERO

• En el acero, además de hierro y carbono como elementos fundamentales, intervienen elementos accidentales, entre ellos el azufre y el fósforo, que dada su afinidad con el acero, son difíciles de eliminar, no obstante se reducen a proporciones inofensivas (< 0.05 %).

• Otros elementos facilitan la obtención, como el silicio y el manganeso que adicionados en pequeñas proporciones (0.2 a 0.9 %) evitan la oxidación del metal fundido, el resto (97.5 a 99.5%) es hierro. Los aceros con esta composición se llaman aceros al carbono.

• Además de los elementos de los aceros al carbono, tienen

adicionados elementos como: cromo, níquel, molibdeno, tungsteno, vanadio, etc., la adición de tales elementos modifica o mejora las propiedades del acero.

CLASIFICACIÓN DEL ACERO POR CONTENIDO

DE CARBONO

DENOMINACIÓN DE ACEROS

• Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos, pero su resistencia a la corrosión es superior.

• Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado bajar considerablemente.

• Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son: aluminio, cobre, magnesio, níquel, plomo, titanio y zinc.

MATERIALES METÁLICOS NO

FERROSOS

Los metales no ferrosos se clasifican en tres grupos:

• Pesados: son aquellos cuya densidad es igual o mayor de 5 kg/dm³.

• Ligeros: su densidad esta comprendida entre 2 y 5 kg/dm³.

• Ultraligeros: su densidad es menor de 2 kg/dm³.

CLASIFICACIÓN

ALEACIONES DEL COBRE MÁS USADAS

• En forma de chapas de diferentes espesores, recubrimiento

de tejados, canalones, cornisas, así como tubos de bajada de agua y depósitos. Recubrimiento de pilas.

• En barras y lingotes: ánodos de sacrificio en depósitos de acero y cascos de buques.

• Óxidos de zinc: bronceadores, desodorantes, colorantes, pegamentos, conservantes.

APLICACIONES DEL ZINC

• Por su capacidad de resistir bien a los agentes atmosféricos y químicos, el plomo tiene multitud de aplicaciones, tanto en estado puro como formando aleaciones.

• En estado puro: Óxido de plomo, es usado para fabricar minio (pigmento de pinturas antioxidantes). Barreras ante radiaciones nucleares (rayos X), cristalería, tubo de cañerías (prácticamente en desuso). Revestimiento de cables de baterías y acumuladores.

• Formando aleación: tetraetilo, como antidetonante en gasolina de plomo (casi en desuso). Soldadura blanda a base de plomo y estaño empleado como material de aportación, fusibles eléctricos.

APLICACIONES DEL PLOMO

El aluminio se utiliza normalmente aleado con otros metales con objeto de mejorar su dureza y resistencia.

APLICACIONES DEL ALUMINIO

Su presentación comercial es en alambres de diferentes diámetros, placas,

perfiles y barras de diferentes secciones

Se está utilizando en odontología como base de piezas dentales y en la unión de huesos, así como en articulaciones porque la incrustación de titanio en el hueso del cuerpo humano no provoca rechazo alguno y pasado algún tiempo, se produce una soldadura de manera natural.

APLICACIONES DEL TITANIO

ALEACIONES DE ESTAÑO

Una de las aplicaciones más importantes del estaño es la fabricación de hojalata, que consiste en recubrir una placa de acero con dos capas muy finas de estaño puro. El estaño protege al acero contra la oxidación.

MATERIALES NO

METÁLICOS

• Son considerados así, cuando contienen células de

vegetales o animales.

• Estos materiales pueden usualmente disolverse en

líquidos orgánicos como el alcohol o los

tretracloruros, no se disuelven en el agua y no

soportan altas temperaturas.

• Algunos de los representantes de este grupo son:

plásticos, productos del petróleo, madera, papel,

hule y la piel.

MATERIALES ORGÁNICOS

POLÍMEROS Son materiales que pueden moldearse fácilmente y en su mayoría sintéticos, también los hay orgánicos, los polímeros son la unión de varias macromoléculas llamados monómeros que forman cadenas de las formas más diversas.

CARACTERÍSTICAS

- Excelentes aislantes térmicos y eléctricos.

- Se ablandan con el calor (termoplásticos) o endurecen (termoendurecibles).

- Buena resistencia por su densidad alta.

- Compatibles con distintos aditivos para agregarle y/o quitarles propiedades como antioxidantes.

- Debido a sus múltiples propiedades únicas y diversas, los polímetros han reemplazado de manera creciente a los componentes metálicos.

Entre los productos de consumo e industriales

fabricados con polímetros tenemos:

• Recipientes para alimentos y bebidas

• Empaques

• Artículos de señalización

• Piezas de computadoras

• Textiles

• Material médico

• Juguetes, artículos deportivos, lentes

• Aparatos domésticos y electrodomésticos

• Carrocerías y componentes de automóviles.

APLICACIONES

CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS

TERMOPLÁSTICOS:

•Se ablandan con el calor, pudiendo adquirir formas que se conservan al enfriarse. Ello es debido a que sus macromoléculas están unidas por débiles fuerzas que se rompen con el calor.

•Estos materiales pueden ser fundidos y moldeados varias veces sin sufrir cambios significativos en sus propiedades.

•Como aplicaciones, tenemos:

Polietileno (PE): bolsas

Polipropileno (PP): sacos, fundas flexibles de CD’s

Cloruro de vinilo: envases, tuberías, etc.

Son aquellos que sólo pueden ser moldeados una vez por acción del calor. Son frágiles y rígidos, debido a que sus macromoléculas se entrecruzan formando una red de malla cerrada que no permite nuevos cambios mediante calor o presión. Así tenemos:

1. Poliuretano. Ej.: espumas, pinturas, selladores

2. Resinas fenólicas. Ej.: recubrimiento para rebobinados

3. Melamina. Ej.: adhesivo para madera aglomerada

TERMOESTABLES O TERMOFIJOS

ELASTÓMEROS

Plásticos que se caracterizan por su gran elasticidad,

adherencia y baja dureza. Estructuralmente son

intermedios entre los termoplásticos y los termoestables.

Ejemplo: caucho natural, caucho sintético, neopreno.

•Son todos aquellos que no proceden de

células animales, vegetales o

relacionados con el carbón. Por lo regular

se pueden disolver en el agua y en

general resisten el calor mejor que las

sustancias orgánicas.

•Algunos de los materiales inorgánicos

más utilizados en la manufactura son: Los

minerales, el cemento, la cerámica, el

vidrio y el grafito (carbón mineral).

MATERIALES DE ORIGEN INORGÁNICO

“Los materiales sean metálicos o no

metálicos, orgánicos o inorgánicos

casi nunca se encuentran en el

estado en el que van a ser utilizados,

por lo regular estos deben ser

sometidos a un conjunto de procesos

para lograr las características

requeridas en tareas específicas.”

PROPIEDADES DE LOS METALES

• Maleabilidad: es la propiedad de un material de deformarse por compresión sin fracturarse y permite la obtención de láminas delgadas . Ej.: oro, platino, plata, aluminio, cobre, hierro.

• Ductilidad: Propiedad que poseen ciertos materiales para poder estirarse en hilos delgados o varillas por acción de una fuerza sin romperse.Ej.: oro, plomo, aleaciones metálicas.

• Tenacidad: Propiedad que tienen algunos materiales de

soportar impactos sin romperse. Ello implica que el

material tiene capacidad de absorber energía. Ej.: Azufre.

• Dureza: mide el grado de resistencia de un material a

ser rayado o desgastado por otro. Ej.:el diamante.

• Plasticidad: propiedad de algunos materiales de

adquirir deformaciones permanentes, bajo la acción

de esfuerzos.

• Elasticidad: propiedad de algunos materiales para

recobrar su forma y dimensiones iniciales cuando

cesa el esfuerzo que había determinado su

deformación.

• Fragilidad: es la capacidad de un material de

fracturarse con escasa deformación.

• Rigidez: es la capacidad de un material para soportar

esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos.

RESISTENCIA

Capacidad de un material para soportar esfuerzos sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse.

DEFORMACIÓN

Es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo.

CLASIFICACIÓN:

• Elástica o reversible: Si la deformación desaparece al retirar la carga.

• Plástica o irreversible: Si la deformacion permanece después de retirar la carga.

CURVA DE ESFUERZO-DEFORMACION

Describe la relación que hay entre el esfuerzo y la

deformación, donde puede apreciarse las regiones

elásticas y plásticas de un material.

LEY DE HOOKE

Es el límite de proporcionalidad de la

gráfica. Nos indica que en la zona

elástica el esfuerzo es directamente

proporcional a la deformación unitaria y la

constante de proporcional se designa con: E.

ESFUERZO

Fuerza o Carga aplicada un objeto (una probeta en un

ensayo de tracción o compresión), dividida por su

sección transversal .

Esfuerzo= fuerza/sección transversal

TIPOS DE ESFUERZO

Dependiendo de la dirección y sentido entre las fuerzas

actuantes y la posición del cuerpo sobre el cual actúan,

pueden ser:

Esfuerzo de tracción (o

Tensión): cuando se aplica

una fuerza que intenta separar

o estirar un cuerpo u objeto,

tiende a alargar el cuerpo.

Esfuerzo de compresión: cuando se aplica una fuerza

que intenta presionar un cuerpo, es perpendicular a la

sección transversal del cuerpo y el efecto que produce es

acortar dicho cuerpo.

Esfuerzo de torsión: cuando se aplica un par o momento que intenta torcer un cuerpo.

Esfuerzo de flexión: Cuando se aplica fuerzas sobre un

cuerpo que se encuentra en posición horizontal que

tienden a doblarlo. Esto origina un alargamiento de unas

fibras y un acortamiento de otras. Este tipo de esfuerzos

se presentan en puentes, vigas de estructuras, perfiles

que se curvan en máquinas.

ENSAYOS

Son pruebas de laboratorio que nos permiten medir las cargas que pueden soportar los materiales, y medir su comportamiento en distintas situaciones, utilizando para ello una probeta.

PROBETAS

Se emplean en general de formas

cilíndricas, en las cuales la relación

altura/diámetro se toma como una

constante. El valor de esta relación tiene influencia en los resultados.

DIMENSIONES DE UNA PROBETA

ENSAYO DE TRACCIÓN (tensión)

Es un ensayo destructivo muy importante

puorque suministra información sobre la

resistencia de los materiales utilizados en el

diseño y también para verificación de

especificaciones de aceptación.

TIPOS DE ENSAYOS

PROBETAS DURANTE EL ENSAYO DE

TRACCIÓN

MÁQUINAS DE TRACCIÓN

ENSAYO DE COMPRESIÓN

Consiste en someter una probeta

normalizada del material que se va a

ensayar a esfuerzos progresivos y

crecientes de compresión en la dirección de

su eje , hasta que se rompa o hasta que ocurra el aplastamiento.

COMPRESIÓN

ENSAYO DE DUREZA

La dureza es una propiedad fundamental de los materiales y esta relacionada con la resistencia mecánica. La dureza puede definirse como la resistencia de un material a la penetración o formación de huellas localizadas en una superficie. Cuanto más pequeña sea la huella obtenida en condiciones normalizadas, más duro será el material ensayado.

Dureza

Ensayo experimental:

• Se coloca la muestra bajo el indentador (o penetrador).

• Se realiza una indentación a una carga conocida.

• Se mide el tamaño de la huella. • Se calcula la dureza con las correlaciones

entre las dimensiones medidas y las distintas escalas de dureza.

V-17

ENSAYO DE FLEXIÓN

Consiste en someter la probeta del material,

apoyada libremente en sus extremos, a una

fuerza aplicada en el centro, o dos iguales

aplicadas a la misma distancia de los apoyos.

MÁQUINAS DE ENSAYO DE

FLEXIÓN

V-18

ENSAYO DE TORSIÓN

El ensayo de torsión es un ensayo en que

se deforma una muestra aplicándole un par

torsor (sistema de fuerzas paralelas de igual magnitud y sentido contrario).

ENSAYO DE TORSIÓN

ENSAYO DE IMPACTO Método para determinar el comportamiento del

material sometido a una carga de choque en

flexión, tracción o torsión. La cantidad que suele

medirse es la energía absorbida al romperse la

probeta en un solo golpe.

• La expansión térmica, la fusión y el calor

de fusión son propiedades térmicas,

porque la temperatura determina el nivel

de energía de los átomos que conduce a

cambios en los materiales.

• Las propiedades de interés son: el calor

específico y la conductividad térmica.

PROPIEDADES TERMICAS DE LOS MATERIALES

CALOR ESPECÍFICO:

Es la cantidad de energía calorífica necesaria para

incrementar la temperatura de una unidad de masa de

un material en un grado.

En procesos que requieren calentamiento de material es

muy importante determinar la cantidad de energía

calorífica necesaria para elevar la tempetura a un nivel

deseado, como: en operaciones de fundición,

tratamientos térmicos y formado de los metales en

caliente.

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

• Implica la conductividad de la energía térmica dentro

del material, de molécula a molécula, efectuada

únicamente por movimientos térmicos.

• Es la capacidad de un material de transferir calor a

través de el mismo y puede determinarse a través del

coeficiente de conductividad térmica. La conductividad

térmica es alta en los metales y baja en los cerámicos

y plásticos.

• Ejemplo. El cobre.

Calor Específico Conductividad térmica

H= C W (T2-T1) K = k / C

H: Cantidad de energia calorífica (J) K=Conductividad térmica de una sustancia

C: Calor específico del material [J/(Kg .°C)] k: Coeficiente de conductividad térmica

W: Peso del material (Kg) C: Densidad x calor específico

T2-T1: Cambio de Temp. (°C)

VALORES DE LAS PROPIEADDES TTERMICAS COMUNES PARA ALGUNOS MATERIALES

Material Calor

Especifico ( Btu/lb-F)

Conductividad Termica

(Jseg.mm-C)

Aluminio 0.21 0.22

Cobre 0.092 0.4

Plomo 0.031 0.033

Acero 0.11 0.046

Concreto 0.2 0.012

Polietileno 0.5 0.00034

Agua 1 0.0006

Es la capacidad que tienen algunos materiales para conducir

la corriente eléctrica.

Resistividad

Es la propiedad de algunos materiales para resistir el flujo de

una corriente. Esta no es una constante, varía con la

tempertura al igual que otras propiedades. En los metales la

resistividad aumenta con la temperatura.

La conductividad de un material es el recíproco de la

resistividad.

PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES

Resistividad del material Conductividad electrica

r = R ( A/L ) Conductividad E = 1/r

r : Resistividad del material (Ohm . m) r : Resistividad del material

R: Resistencia de una sección uniforme (Ohm)

L : Longitud

A : Área de la sección trasvesal

RESISTIVIDAD DE ALGUNOS MATERIALES

Material Resistensia (Ohm - m)

Aluminio 2.8 x 10 a la -8

Cobre 1.7 x 10 a la -8

Oro 2.4 x 10 a la -8

Hierro 9.5 x 10 a la -8

Silicio 1 x 10 a la 3

Hule natural 1 x 10 a la 12

Polietileno 100 x 10 a la 12