UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

DEPARTAMENTO DE MATERIALES Y PROCESOS DE FABRICACIÓN

ASIGNATURA: PROCESOS DE FABRICACIÓN I.

PROPIEDADES IMPORTANTES DE LOS

MATERIALES EN MANUFACTURA

Es difícil señalar exactamente que propiedades, o más correctamente

que combinación de propiedades debe poseer un material destinado a un

proceso determinado. No obstante, a menudo es posible identificar ciertas

propiedades o características dominantes que debe tener cualquier material

para poder someterlo a cierto proceso o grupo de procesos. Con el fin de

evaluar estas propiedades tecnológicas, se han desarrollado muchos

métodos especializados que prueban de una manera u otra la conveniencia

de un material para el proceso o grupo de procesos particulares.

CONFORMACIÓN DE MATERIALES EN ESTADO LÍQUIDO.

La conformación de un material a partir del estado líquido incluye

las siguientes fases:

FASE 1. Fusión

FASE 2. Conformación (creación de la forma)

FASE 3. Solidificación (estabilización de la forma)

En la práctica las fases 2 y 3 pueden efectuar más o menos

integradas.

Para los metales aleados no tiene punto de fusión sino mas bien un

intervalo de temperatura de fusión definido por temperatura de inicio de

fusión, abajo la cual el material es sólido. Y temperatura de inicio de

solidificación, arriba la cual el material es líquido. En ambas temperaturas

existe una mezcla de material líquido y sólido. Otras propiedades

importantes en la conformación a partir del estado líquido incluyen el calor

específico, la conductividad térmica y la viscosidad del material.

Ejemplos de temperaturas de fusión y de intervalos de temperatura de

fusión.

METALES PUROS ALEACIONES

Hierro 1535 0C Acero inoxidables ( 18% Cr, 9% Ni), 1400

0C-1420

oC

Cobre 1085 0C Latón (35%, Zn,65% Cu), 905

0C- 930

0C

Aluminio 660 0C Bronce (90%Cu , 10% Zn), 1020 ºC -1040

0C

Níquel 1455 0 C Bronce de aluminio, 1050

0C-1060

0 C

Zinc 419 0 C Aluminio (1%, Si, 0.2% Cu), 643

0 C- 657 ºC

Plomo 327 0 C

Estaño 232 0 C

Magnesio 650 0 C

Cromo 1850 0

C

CONFORMACIÓN DE MATERIALES EN ESTADOS SÓLIDOS.

La conformación de materiales en estado sólido se puede efectuar mediante

procesos de conservación de masa, de reducción de masa o de unión.

Procesos de Conservación de Masa:

En la conformación de metales, el proceso básico es la deformación

plástica de tipo mecánico. La capacidad de un material para experimentar

deformación plástica está determinada primordialmente por su ductibilidad.

Las curvas de esfuerzo deformación son la fuente de información mas

importante al evaluar la idoneidad de un material para ser sometido a

deformación plástica.

Los parámetros importantes para la conformabilidad son el estado de

tensión, la velocidad de deformación y la temperatura.

PROCESOS DE REDUCCIÓN DE MASA.

Los procesos básicos del tipo de reducción de masa son mecánicos

(fractura dúctil o frágil), químicos (disolución o combustión) o térmicos

(fusión).

Los procesos de reducción de masa basados en la fractura son los más

importantes de la industria y que incluyen todos los procesos de corte. La

adaptabilidad de un material a los procesos de corte se conoce,

frecuentemente como maquinabilidad.

La maquinabilidad depende primordialmente de:

1. Propiedades mecánicas de un material

2. Su composición química

3. Su tratamiento Térmico (estructura).

En cuanto a las propiedades mecánicas se puede afirmar que una baja

ductibilidad, un bajo endurecimiento por deformación y una baja dureza

equivalen a una buena maquinabilidad.

La composición de un material tiene una gran influencia en su

maquinabilidad.

Añadiendo pequeñas cantidades de plomo, magnesio, azufre, selenio o

titanio, se puede incrementar considerablemente la maquinabilidad sin

alterar las propiedades mecánicas.

Respecto a la estructura de un material debe ser lo más homogénea posible

sin partículas abrasivas ni inclusiones duras, y que estos aumentan el

desgaste de la herramienta, y dan por resultado superficies defectuosas.

PROCESOS DE UNIÓN.

Solo se considera aquí el tipo de proceso de unión que es la soldadura por

fusión.

Conformación de Materiales en Estado Granular.

Para esta área de proceso es bastante difícil definir las propiedades del

material que determinan la adaptabilidad del material granular a la

compactación y sinterización.

Efectos de los procesos en las Propiedades del Material.

Dependiendo del proceso y del material, las propiedades afectadas quedan

incluidas en uno o más de los siguientes grupos: propiedades físicas

(resistencia a la corrosión, cambios metalúrgicos) propiedades mecánicas

(resistencia, dureza, fundición y ductibilidad). Y propiedades tecnológicas

(“conformabilidad”, “ maquinabilidad”, soldabilidad).

Durante el procesamiento, a menudo se introducen en el material varios

defectos (micro o macro fracturas, porosidad, distribución, irregularidades

de propiedades, etc.) que podrían influir drásticamente en la eficacia del

componente.

Clasificación de algunos Materiales de Ingeniería.

-Materiales Metálicos:

-Enlace y estructura

Los metales se caracterizan por el enlace metálico donde los iones del

metal se mantienen unidos por una nube de electrones. Este tipo de enlace

tiene una alta movilidad de electrones libres (los de valencia), lo cual

explica en general el alto nivel de resistencia, la ductibilidad (para ser

deformados sin fractura) y la relativamente alta temperatura de fusión de

metales.

Los materiales cristalinos.

Normalmente consta de miles de pequeños cristales o granos

individualmente dependiendo del método de producción. Durante la

solidificación empiezan a formarse muchas mallas o retículos individuales

en varios puntos del material fundido.

Conforme prosigue la solidificación estos cristales o granos, que tiene

orientación aleatoria, crecen y se unen y forman los límites de granos,

donde existe un alto grado de desorden en el arreglo atómico.

Los límites de granos tienen una gran influencia dominante en las

propiedades del metal.

Los cristales o granos individuales tienen varias fallas o defectos en su

estructura reticular, estas fallas pueden influir normalmente en las

propiedades del material.

El tamaño y número de defectos depende de la historia del material,

incluyendo condiciones de enfriamiento después de la solidificación y

deformación como por ejemplo en el laminado, forja o extrusión.

Las propiedades más importantes afectadas por los defectos son: esfuerzo

de cedencia, ductibilidad, esfuerzo de rotura, dureza y conductividad

eléctrica. Las propiedades que no reciben influencia de los defectos son:

punto de fusión, capacidad calorífica, expansión térmica y constante de

elasticidad.

Mecanismo de incremento de la Resistencia.

Las propiedades mecánicas de los metales son generalmente las más

importantes para el ingeniero; en consecuencia, se ha dedicado un gran

esfuerzo aumentando la resistencia de los metales con el objeto de obtener

relaciones resistencia/peso más favorable. La resistencia de los materiales

metálicos se incrementa generalmente por:

1- Transformaciones de fase en el estado sólido, esto es,

endurecimiento por:

A) Transformaciones martensiticas (sin difusión)

B) Precipitación y solución (difusión)

2- Endurecimiento por deformación

3- Endurecimiento por dispersión

METAL TEMPERATURA MÍNIMA

DE RECRISTALIZACIÓN (

0 C)

PUNTO DE FUSION LÍMITES

SUPERIOR DE

TRABAJO EN

CALIENTE

Acero Dulce 600 1520 1350

Cobre 150 1083 1000

Latón 60/40 500 900 850

Aluminio 100 660 600

METALES FERROSOS.

Se mencionarán en esta discusión los aceros para la construcción, acero

para herramientas y hierro gris.

Posibilidades de Composición y Aleación.

Con materiales ferrosos la matriz básica es el hierro (Fe, el metal original)

que tiene cantidades variadas de Carbono. Los aceros generalmente son

aleaciones de Fe, y C; los hierros colados contienen de 2% a 4% de C.

Dependiendo de las condiciones de enfriamiento y de los elementos

aleantes, el carbono puede encontrarse principalmente en la forma

combinada de Carburo de hierro Fe3C llamado cementita, como por

ejemplo en el acero, o en forma de grafito, como en el hierro gris la

cementita misma es muy frágil y dura.

La mayoría de los aceros están aleados con una variedad de elementos para

obtener:

- Mayor resistencia

- Mejor capacidad de rendimiento

- Mejores propiedades de alta y baja temperatura

- Mejor Resistencia a la corrosión

- Mejores Propiedades Tecnológicas

Los elementos aleantes en los aceros generalmente se pueden unir de dos

maneras diferentes, dependiendo su propósito.

1- En pequeñas cantidades, menores del 5% para incrementar la

resistencia y capacidades de enfriamiento.

2- En cantidades mayores, en la gama del 5 a 30% para producir

propiedades especiales, por ejemplo, alta resistencia a la corrosión o

propiedades alta a la temperatura.

Los aceros pueden clasificarse, dependiendo de la cantidad de elementos

aleantes, en cuatro grupos:

1- Aceros al carbono con menos de 1-2% de elementos aleantes (micro

aleados).

Este grupo contiene los conocidos aceros al carbono ordinarios.

2- Acero de baja aleación con más de 1 ó 2% y menos de 5% de

elementos aleantes, pero que tienen la misma matriz básica de los

aceros al carbono.

3- Acero de alta aleación con mas de 5%

4- Aleaciones con cantidades tan grandes de elementos aleantes que el

metal original ya no es hierro.

CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS POR APLICACIONES:

En una clasificación simple de los aceros resultan dos grupos

principales: aceros para la construcción ( < 0, 9% de C) y aceros para

herramientas (0.5 – 2% de C).

ACEROS PARA LA CONSTRUCCIÓN:

Los aceros para la construcción se pueden subdividir en muchos grupos

de los cuales solo unos cuantos se mencionarán. Los números entre

paréntesis se referirán a la clasificación anterior en 4 grupos de

aleaciones de aceros.

- Los aceros estructurales en general ( 1 y 2)

- Los aceros de Ingeniería en general apropiados para maquinarias

- ( 1 y 2)

- Los aceros resistentes a la corrosión (o inoxidable 3)

- Los aceros resistentes al calor ( 1, 2, 3 y 4 )

- Los aceros de fácil maquinado ( 1 y 2)

- Los aceros ordinarios al carbono de baja aleación ( 1 y 2 )

- Otros.

HIERRO FUNDIDO.

El hierro fundido (fundición) que tiene 2-3.8% de C y cantidades

variable de Si, Mn, P y S y de algunos otros elementos especiales, es

técnicamente un material muy importante.

Este material, tiene excelente moldeabilidad y maquinabilidad,

magníficas propiedades funcionales y un bajo precio.

El carbono está presente en la mayoría de casos como grafito,

dependiendo de las condiciones de enfriamiento y del contenido de Si.

La estructura de grafito (su forma) tiene una influencia decisiva en las

propiedades mecánicas; por tanto, los hierros fundidos se clasifican de

acuerdo con la forma, distribución y tamaño de las partículas de grafito.

Dependiendo de la forma de las partículas de grafitos, los hierros

fundidos se pueden agrupar en hierro gris con grafitos en escama y

hierro nodular o esferoidal.

ACEROS PARA HERRAMIENTAS.

Los requisitos crecientes de alta productividad y el uso cada vez mas

amplio de los procesos de conformación de metales, lo cual a menudo

impone severas cargas mecánicas y térmicas a las herramientas, han

contribuido al rápido desarrollo de materiales para herramientas.

Los aceros para herramientas puede clasificarse brevemente en los

siguientes grupos generales (el término herramienta incluye molde y

troqueles).

Aceros para herramientas de trabajo en frío (1, 2 y 3 ) con 0.5 – 2.0%

de C. Ej. de aplicación: herramienta de corte, herramienta de estampado

o de presión, moldes de forja, herramientas de troquelado.

Aceros para herramienta de trabajo en caliente (3) con 0.3 – 0.6% de C

y varias cantidades de W, Cr, Co, y Mo y V .Ej de aplicación: Moldes

de Forja, Moldes de colado, Molde extrusión.

Aceros para herramientas de alta velocidad (3) con 0.7 – 1.3% de C y

varias cantidades de W, Cr, Co, Mo y V. Ejemplo de aplicación:

herramientas de corte y cada vez mas herramientas de estampados.

Los carburos cementados (4) consta de partículas duras ( WC, TIC,

TAC, NbC, etc.)

Para matrices más suaves se usan generalmente Co, pero también Ni,

Mo, Ej. de aplicación herramientas de corte (insertos o pastillas),

troqueles de conformación, punzones sacabocados.

METALES NO FERROSOS.

Propiedades importantes que no se pueden obtener en los aceros.

- Alta resistencia a la corrosión

- Facilidad de Fabricación

- Alta conductibilidad eléctrica, térmica

- Baja densidad

- Alta relación resistencia/peso

- Color atractivo

- Contiene dos sin elementos especiales ( de estas propiedades)

- La resistencia de los metales no ferrosos en general es mas bajo que

los aceros; pero debido a su baja densidad la relación

resistencia/peso puede ser bastante alta.

- El módulo de elasticidad es bajo, es desventaja cuando se requiere

relativamente rigidez

- El punto de fusión es bastante bajo.

COBRE/ALEACIONES DE COBRE.

- El cobre puro tiene una densidad de 8.96 % g/cm3

- Punto de fusión 1083 oC

Usos: En la industria eléctrica para cables, bobinas contactos y otros

productos similares, debido a su alta conductividad eléctrica.

- Por su alta resistencia a la corrosión

- Por sus buenas propiedades de manufactura

Aleaciones:

El latón que es cobre aleado con 10-46% de cinc

Bronce que es cobre aleado con estaño

Bronce de aluminio que es cobre más aluminio

Bronce de a Níquel que es cobre más níquel

-El más importante de las aleaciones de cobre es el Latón.

Un contenido del 60% de cobre y 40% de Cinc es típico y esto da una

buena aleación con buenas resistencias y buenas propiedades de trabajo en

caliente.

-Un contenido de cobre 65-70% a 30-35% Cinc.

Se obtienen aleaciones con alta densidad y excelentes propiedades de

trabajo en frío.

-Si se agrega 10-20% de níquel al latón (60-70% de Cu y 10-30% de Zn) se

obtiene una aleación plateada de Níquel. Uso: contactos eléctricos, resortes,

etc.

Uso del bronce: bronce al Estaño para baleros donde se usa al del 5 al 22%

de Sn. A menudo el Bronce se alea con plomo.

Los bronces al aluminio se tiene alta resistencia, especialmente a la

corrosión.

ALUMINIO/ALEACIONES DE ALUMINIO.

El aluminio puro, que tiene una densidad de 2.7 g/cm2 y fuente de fusión

de 6600C.

-Propiedades alta relación resistencia/peso.

-Alta resistencia a la Corrosión.

-Buena conductividad eléctrica

Uso: En cables de alta tensión, equipo para la industria química, de

productos lácteos y de construcción de muebles para cocina.

El aluminio de aleación a menudo con: Silicio, Magnesio, Cobre,

Manganeso y Cinc.

MAGNESIO/ALEACIONES DE MAGNESIO.

Se tiene una densidad de 1.7 g/cm2

y punto de fusión de 6500C.

El más importante elemento aleante es el aluminio en la proporción del 6-

8%. Para aleaciones de fundiciones de arena, y es dado en la proporción 3-

8% para otras aleaciones las cuales frecuentemente son de Cinc y

Magnesio.

Se puede obtener los máximos valores de resistencia por tratamiento

térmico de las aleaciones que contenga Cinc, Circonio, Torio.

Las aleaciones de magnesio se usan primordialmente, en la industria

aeronáutica y espacial, en la industria automotriz en ciertos campos de la

industria de la mecánica general.

CINC/ALEACIONES DE CINC.

El cinc puro que tiene una densidad de 7.15 g/cm3

y punto de fusión de

4200 C.

El 40% de Cinc producido se usa para recubrimientos.

25% como elemento aleante con el cobre

10% para lámina en la industria de la construcción

- como materiales de construcción

- baterías y artes gráficas.

Los mayores elementos aleantes son el aluminio (4-6% y el Cinc (1-2%).

PLASTICOS

Plásticos Termoestables y Termoplásticos.

Polímeros Naturales: aislantes, celulosa y la lana

El término plásticos cubre la enorme variedad de polímeros sintéticos.

El desarrollo de los plásticos se dio después de 1940.

Termoplásticos y plásticos termoestables.

Aditivos para modificar las propiedades de aplicación son:

Estabilizadores: brindar protección contra las aleaciones atmosféricas.

Ablandadores: para aumentar la ductilidad por ejemplo a bajas

temperaturas.

Lubricantes: (ej. ceras, estearatos para mejorar la resistencia y reducir

costos por ejemplo aserrín, fibras textiles, fibra de vidrio y asbestos.)

Agentes colorantes (tintes, pigmentos, etc.), la densidad es relativamente

baja (0.98- 2 g/cm3)

CERÁMICOS Y VIDRIOS.

Este grupo de materiales contiene compuesto de materiales metálicos y no

metálicos como óxidos metálicos (a menudo llamados óxidos refractarios),

boruros, carburos, nitruros, siliciuros y vidrios, los cuales se estudiaron

brevemente.

Características importantes de la cerámica son:

-Alta temperatura de ablandamiento y fusión 20000 - 4000

0 C.

-Alta dureza, fragilidad, baja conductividad térmica

-Resistencia o choque térmico, al desgaste, a la corrosión y a la oxidación.

Los óxidos de Si, Al, Fe, Cu, Na, Mg y Ti están incluidos entre las

cerámicas naturales.

MATERIALES COMPUESTOS.

A) Materiales endurecidos por difusión

B) Materiales reforzados por partículas

C) Materiales reforzados con fibra.