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Materiales para el diseño 1

Alejandro Zuleta Gil

Materiales Metálicos

METALES

Materiales inorgánicos caracterizados por poseer enlaces de tipo

metálico en su estructura atómica, la cual es en la mayoría de los

casos cristalina

• Están compuestos básicamente por uno o más metales,

aunque pueden contener otros componentes.

• Están compuestos básicamente por uno o más metales,

aunque pueden contener otros componentes.

• Son muy electropositivos

MALEABILIDAD

FORJABILIDAD

FRAGILIDAD

TENACIDAD

TEMPLE

OXIDACIÓN

DUCTILIDAD

PROPIEDADES DE LOS METALES

Maleabilidad

Es la propiedad de los metales de

poder ser modificados en su forma

y aun ser reducidos a láminas de

poco espesor a temperatura

ambiente, por presión continua,

martillado o estirado sin que estos

se fracture.

Ductilidad

Es la propiedad de un material que

permite ser alargado o estirado en

hilos.

Forjabilidad

Es un proceso de deformación mediante el cual el material se comprime

empleando una fuerza de impacto para darle forma a la pieza deseada.

Fragilidad

Es la facilidad con la que se rompe un

metal cuando es golpeado. Es lo contrario

Tenacidad

Es la resistencia que tiene un material a

romperse

• Mezcla sólida homogénea

– Dos o más metales

– uno o más metales con algunos elementos no metálicos.

• Se clasifican teniendo en cuenta el componente base.

– Aleaciones ferrosas: componente base es hierro.

– Aleaciones no ferrosas : componente base son otros metales

diferentes al hierro

Mejorar sus propiedades

Aleación

ACEROS FUNDICIONES DE HIERRO

AL CARBONO

ALEADOS

INOXIDABLES

HERRAMIENTAS

BAJO CARBONO

MEDIO CARBONO

ALTO CARBONO

DÚCTIL

BLANCA

MALEABLE

METALES FERROSOS

La Minería se encarga de extraer minerales metálicos o menas (ej: Hematita). Mena: Es un mineral del que se puede extraer un elemento, un metal generalmente, por contenerlo en cantidad suficiente para ser aprovechado.

Obtención

Acero: Asociaciones: Industrial, pesado, resistente

• La Metalurgia trata de los metales elaborados y sus propiedades.

– Calcinación y tostación: es un proceso para obtener metales libres o puros calentando las menas en hornos y eliminando los óxidos que se producen.

Electrolisis

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES

Se presentan tres (3) tipos de configuraciones cristalinas en los

materiales metálicos

CÚBICA

CENTRADA

EN EL CUERPO

CÚBICA

CENTRADA

EN LAS CARAS

HEXAGONAL

COMPACTA

Aleaciones ferrosas

Componentes secundarios ◦ Metales. Mn, Ni, V, Cr, Co

◦ No Metales. C, P, Si, S.

Aleaciones ferrosas

Componentes secundarios ◦ Algunos aleantes:

Plomo : Para mejorar maquinabildiad

Aleaciones ferrosas

Cobalto y molibdeno: Mayor dureza Resistencia a las altas temperaturas

Aleaciones ferrosas

Níquel: Mayor tenacidad

La orientación de la estructura cristalina para cada grano es distinta.

Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo atómico es idéntico

MICROESTRUCTURA DE LOS METALES

La estructura granular es la estructura resultante después de la cristalización.

Entre más lento el enfriamiento de un metal, mayor uniformidad en el crecimiento de los granos

Al aumentar el tamaño del grano, disminuyen las propiedades mecánicas

Los granos son de forma irregular

MICROESTRUCTURA DE LOS METALES

Ventajas:

• Reciblable

• Tenaz

• Alta resistencia mecánica

• Fácil de conseguir

• Fácil de procesar

• Barato (0,63 -0,84 USD/Kg)

Desventajas

• Baja resistencia a la corrosión

• Energía de procesamiento

• Fe-C-Cr

Además: Ni, Mo y Co.

• Resistencia a la corrosión.

• Capa Pasiva.

• Reciclable

• Buena resistencia a las altas

• Temperaturas (hasta 900 oC)

• Excelente tenacidad

Aceros Inoxidables

Desventajas:

• Costosos (5 USD/Kg)

• Difícil de trabajar en frio

• Pesados

Aceros Inoxidables

Clasificación Composición Propiedades

Austeníticos

AISI 200-300

16-28% Cr

7-22% Ni

1,5-6 Mo

No Magnéticos

No endurecibles por TT térmicos.

Si por trabajo en frio.

Soldables

Buena resistencia a la corrosión

Excelente acabado superficial

Facilmente limpiables.

Buena tenacidad.

Ferríticos

AISI 400

11,5% -23% Cr

0.20% máx. C

Magnéticos.

No endurecibles por TT. Moderadamente

endurecibles por trabajo en frio.

Son muy difíciles de soldar. Moderada resistencia

a corrosión y baja tenacidad.

Aceros Inoxidables

Aleaciones ferrosas

Clasificación Composición Propiedades

Martensíticos

AISI 400

Cr 10.5-18%

C < 1.2%

Magnético

Endurecibles por TT. Alta

resistencia y moderada tenacidad.

Son muy difíciles de soldar.

Dúplex Cr 18-26 % Ni 4-

C > 0.2%

Magnéticos.

Buena resistencia a corrosión.

Se pueden soldar. Mejores

propiedades mecanicas que los

aceros inoxidables austeníticos

Aceros Inoxidables

Aleaciones ferrosas

Aceros Inoxidables Materiales Metálicos

• ACERO 304

• Alta resistencia a la oxidación, posee Níquel y Cromo dentro de sus componentes que lo hace mas resistente mecánicamente.

• Mas dúctil (mayor elongación), propicio para procesos de deformación como la embutición.

• Posee Níquel, lo cual le proporciona mas propiedades para soldabilidad.

• ACERO 430

• Es un Acero Mas Rígido,

propicio para realizar

piezas planas

• Menos costoso que el

• No posee Níquel

• No posee buenas

propiedades para

soldabilidad

FUNDICIONES DE HIERRO

Son aquellos aceros que se trabajan a partir de fundición y

que presentan un porcentaje de carbono entre el 2.5% y

4.0% (Comercial)

La ductilidad de estas es muy baja por lo que no puede

laminarse, estirarse o deformarse a temperatura ambiente.

Aunque las fundiciones tienen propiedades mecánicas

inferiores a las de los aceros estas presentan otras ventajas

como son:

-Son más fáciles de maquinar que los aceros.

-Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad.

-En su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos.

-Absorben las vibraciones mecánicas y actúan como autolubricantes.

-Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y de buena

resistencia al desgaste.

De acuerdo con la apariencia de su fractura, las fundiciones pueden ser

grises, blancas, dúctil, etc

FUNDICIONES DE HIERRO

FUNDICIÓN GRIS

•Se llama fundición de hierro gris por el color

que toma su superficie cuando se fractura.

• Se compone de una aleación de hierro y

carbono (entre 2.5% y 4%) a la que se le

adiciona silicio y manganeso.

• Es la más utilizada de las fundiciones de

hierro por la facilidad de maquinado y la

obtención de formas

FUNDICIÓN NODULAR

•Se diferencia de la fundición de hierro

gris porque el grafito presente en su

microestructura se presenta en forma

de pequeñas esferas.

•Tiene generalmente magnesio (Mg) en

su composición química como agente

de nodulación.

•Mayor resistencia a la tracción y a la tenacidad en comparación con la

fundicion gris.

FUNDICIÓN NODULAR

FUNDICIÓN DE HIERRO

BLANCA

•Se llama fundición de hierro blanca por el color

que toma su superficie cuando se fractura.

•Alta dureza y resistencia al desgaste.

•Aleación poco utilizada por su extrema

fragilidad. Es también difícil de mecanizar.

Fundiciones Materiales Metálicos

ACEROS - HERRAMIENTAS

Son aceros que poseen una serie de

propiedades especiales que les permite

ser usados en aplicaciones con altas

demandas en prestaciones.

Alta resistencia al desgaste, corrosión,

estabilidad térmica

Contienen aleantes como cromo,

molibdeno tungsteno, vanadio,…

Aceros autoprotectores

Pertenecen al grupo de aceros HSLA (alta resistencia y baja aleación)

Cu, Cr, Ni, P, Si: % en peso no mayor que 3%

Contenidos entre 1 y 5% de aleantes

Designaciones más comunes ASTM A-242 A-588

A-606-4 A-709 A-852 A-871

Desarrollo: hace 40 años

Mayor resistencia a la corrosión atmosférica que los aceros ordinarios Capa de herrumbre interna de características protectoras (homogénea, impermeable, densa, adherente y con buenas propiedades mecánicas)

No requieren ser pintados o recubiertos

Son más costosos, pero poseen una mayor resistencia mecánica que los aceros al carbono, lo que ayuda a reducir el peso de las estructuras

Aceros autoprotectores USOS

Torres de transmisión en Finlandia (larga vida, menos espacio)

Aceros autoprotectores Medellín

Puede acelerarse artificialmente el proceso de

oxidación sometiendo el producto a ciclos con

alternación de periodos secos y húmedos, previa limpieza mediante chorreado con

arena o granallado

Es posible pintarlo: aplicando la primera capa de pintura sobre la superficie limpia, inmediatamente

después del proceso de decapado o chorreado con arena.

Aceros autoprotectores Efecto de los aleantes

Cu y P: promueven la formación de fases amorfas

Cr y Ni: favorecen la formación de capas delgadas y adherentes de productos de corrosión

Cu, Cr y Si: se concentran en las capas más internas

ALEACIONES

LIGERAS

ALEACIONES

PESADAS

METALES

PRECIOSOS

METALES

REFRACTARIOS

ALUMINIO

MAGNESIO

TITANIO

NIQUEL

PALADIO

PLATINO

TUNGSTENO

MOLIDENO

NIOBIO

METALES NO FERROSOS

• Basadas en metales diferentes al hierro. – Cu, Al, Pb, Zn, Ni, etc.

• Se incrementa las propiedades mecánicas

• Mejora su uso y su aspecto

• Mezclas homogéneas

Aleaciones No ferrosas

ALEACIONES LIGERAS

Son aleaciones formadas a partir de

metales bases de baja densidad como

el aluminio (Al) el magnesio (Mg), el y el

titanio (Ti)

• Es muy resistente a bajas temperatura

• Aplicaciones – Criogénicas,y en la industria aeroespacial.

– Industria automovilística.

– Proteger de ondas de luz, radio y infrarrojos.

– Pigmentos en pinturas para protección marina.

• Aleaciones – Al y Cu, Zn, Mn, Mg o Si

– Resistentes a la corrosión

– Mejorar la dureza y resistencia del aluminio

Aluminio y aleaciones Materiales Metálicos

Aluminio

Deskology: The collection is comprised of a paper holder, doodad cup, card holder,

and pen holder. The accessories are made from aluminum, and were designed to

compliment the shell casings of Apple’s Mac computers. Although simple in

appearance, the items are highly detailed and built for durability.

Fuente: http://www.dtail.com/category/interior-design/page/2/

Aluminio

Aleaciones de aluminio

ALUMINUM AND NATURAL WOOD

Silla MAGIS

TIPO RESISTENCIA A LA

CONFORMACIÓN (MPa)

RESISTENCIA A LA

CORROSIÓN

FORJADO

3003 36 Muy alta

6060 90 Alta

6061 112 Alta

6063 23 Alta

FUNDICIÓN DE ALUMINIO

LM5 (514) 99 Muy alta

LM6 (A413) 142 Alta

LM24 (380) 111 Moderada - alta

LM25 (A356) 91 Alta

Permite acabados

superficial de alta

calidad.

De las mas

apropiadas para

anodizado

HÁBITAT PROYECTO ESPECIAL SOLAR DECATHLON

Diámetro: Aproximadamente tres veces el espesor de la

lámina

Largo: Cerca de 1.5 veces el diámetro, medidos desde

el extremo inferior de la lámina:

TIPO RESISTENCIA A LA

CONFORMACIÓN (MPa)

RESISTENCIA A LA

CORROSIÓN

FORJADO

3003 36 Muy alta

6060 90 Alta

6061 112 Alta

6063 23 Alta

FUNDICIÓN DE ALUMINIO

LM5 (514) 99 Muy alta

LM6 (A413) 142 Alta

LM24 (380) 111 Moderada - alta

LM25 (A356) 91 Alta

comúnmente para

piezas extruidas

De gran uso en el

mobiliario

Titanio

• Apariencia gris plateada

• Estructura HC

• Excelente resistencia a la corrosión.

• Buena relación peso-resistencia

• Aleaciones muy resistentes. Fe, Al, V, Mo

y otros

• Aplicaciones

– Implantes quirúrgicos.

– Industria aeronáutica, en las turbinas.

Titanio

Leica M9

BOTTA TITANIUM CLAVIUS

Zinc y aleaciones

Zinc • Tiene apariencia blanca azulosa

• Estructura HC

• Frágil a temperatura ambiente,

Muy maleable entre 100°C-180°C

• Duro, poco tenaz

Buena conductividad térmica.

Alta resistencia a la corrosión en ambientes naturales

• Aplicaciones

– Como recubrimiento protector en aceros y aluminios.

– Canaletas y bajantes de agua.

– En su forma de oxido como pigmento en pinturas.

• Aleación mas común: ZAMAK (Cinc, Aluminio, magnesio y crobre)

Zn-Al-Mg

Zn-Al-Cu-Mg

Magnesio y aleaciones Materiales Metálicos

Madera

ZAMAK (ZAMAC)

Punto de fusión: 386 oC

Zinc: extensa aplicación como recubrimiento de aceros expuestos a

la atmósfera Corrosión atmosférica

Modo de Obtención:

Electrolítico

•Fuente: ZnS (Blenda); sphalerita o zincblenda

Usos: Baterías, pinturas

pigmentos, bloqueador solar,

automotriz, ánodos

Se utiliza para recubrir el acero pues lo protege

por tres razones:

1. Efecto Barrera.

2. Protección Catódica

• DIFERENTES ATMÓSFERAS

Industrial

Rural Urbana

Marina

La galvanización en caliente es un proceso en

el cual el hierro o el acero, se sumergen en

un baño de zinc líquido formando una

aleación que protege al mismo contra la

agresividad del medio que lo rodea

• Estanislao Sorel (1837)

• Mecanismo de Barrera :

Óxido de Zinc+H2O =

Hidróxido + CO2= Carbonato

de Zinc Insoluble.

• Protección Catódica :

cuando el zinc y el acero se

conectan en presencia de un

electrolito, el zinc se

consume lentamente al

mismo tiempo que se va

protegiendo al acero.

catodo

COMPARACION OTROS SISTEMAS

Galvanizado

Pintura rica en Zn

Electroplating

• La unión metalúrgica asegura el que no pueda haber corrosión por debajo del recubrimiento.

• El galvanizado da una protección superior en áreas tan importantes

como esquinas y bordes.

Grupo de Corrosión y Protección – Universidad de Antioquia

Ventajas Desventajas

Bajo precio.

Larga vida de servicio de los recubrimientos

de zinc.

Libre de mantenimiento

Las dimensiones de los materiales a

galvanizar se ven limitados por el tamaño de la

cuba de zinc.

El tratamiento puede realizarse de manera

continúa eliminando la probabilidad de errores.

El color del recubrimiento sólo puede ser

cambiado mediante pintura.

Cuando existen daños en la superficie de

recubrimiento el zinc la protege por medio de

acción catódica

El proceso sólo puede ser realizado en

instalaciones fijas.

El producto terminado no requiere controles

especiales de manejo y embalaje.

Se presentan riesgos al galvanizar materiales

largos, ya que pueden deformarse por efecto

del calor.

Las superficies pueden ser soldadas con

métodos usuales.

Proporciona uniformidad y buen espesor en

superficies de difícil acceso.

1.PREPARACION DE LA SUPERFICIE.

– Desengrase. (NaOH)

• (700C) Con serpentín o Resistencias Internas

• Remover polvo, aceite, pintura.

– Decapado.(HCl 12%)

• ( 21 Be)

– Lavado.(Agua)

– Fundente: • (NH4Cl; 210 gr/l) (ZnCl2;

180gr/l) (%Fe=6gr/l)

Baño de desengrase

2. INMERSION.

Función de:

– Material (Si, TT,

Soldadura, Tamaño)

– Temperatura (445-460ºC)

– Tiempo de Inmersión

(1-10min)

Galvanizado de tubería

Mala apariencia

Falta de galvanizado en

soldadura mal

escoriada.

Encorvado de las

piezas

Magnesio y aleaciones

• Metal estructural mas liviano. 1.7g/cm3

• Estructura H

• Poco dúctil.

• Baja Resistencia. Mejora con elementos de

aleación

• Aplicaciones:

– Elemento aleante.

– Industria automovilística, aeroespacial,

– Dispositivos portátiles

Magnesio

PELTRE

Aleación de estaño, cobre,

antimonio y plomo

ALEACIONES PESADAS

Son aleaciones formadas a partir de

metales bases de alta densidad

como el Cobre (Cu) el Plomo (Pb) y el

Níquel (Ni)

• Color rojizo, brillante, maleable, dúctil.

• Estructura FCC

• Alta conductividad eléctrica y térmica,

• Buena resistencia a la corrosión.

• Fácil de trabajar y de soldar.

Aplicaciones

Conductores, hilos, cables y piezas para aparatos eléctricos, equipos térmicos como

intercambiadores, depósitos, refrigeradores, tuberías.

Aplicaciones

Conductores, hilos, cables y piezas para aparatos eléctricos, equipos térmicos como

intercambiadores, depósitos, refrigeradores, tuberías.

- Latones: Zn

- Bronce: Al, Si o Sn

Cobre y aleaciones

Aleaciones no ferrosas

Old fashion

Plomo y aleaciones

Aspecto plateado grisáceo, pierde brillo al

contacto con el aire

Estructura FCC

Muy baja resistencia a la tracción

Muy baja dureza

Dúctil, maleable, muy fácil de modelar

Plumbosis. Envenenamiento y/o Enfermedades

cardio-respiratorias

Plomo y aleaciones

Forma aleaciones con la mayoría de los metales

Aplicaciones: ◦ Placas de acumuladores eléctricos.

◦ Barrera para la radiación.

◦ Aleante en soldadura blanda, y elementos antifricción.

◦ Como base en pinturas anticorrosivas.

Aleaciones Plomo químico. Cu, Ag, Bi

Cúprico, Antimonioso, Telurioso

Terne, Pb-Sn (75-25)

Estaño

• Aspecto poco brillante

• Estructura Tetragonal y CBC

• Muy maleable, dejándose reducir a láminas muy finas

• Dúctil

• Aplicaciones – En la industria alimenticia y farmacéutica, como envolturas

– Proceso de estañado sobre el cobre y láminas de acero, para envase de productos.

– Aleaciones de soldadura blanda, para circuitos electrónicos.

– Aleante en elementos antifricción.

Níquel

• Estructura FCC

• Buena resistencia a la oxidación a altas temperaturas

• Magnético (Tamb-360ºC)

• Aleaciones – Alnico (Al-Ni-Co)

– Permaloy (disp. Magnéticos)

– Invar (Ni-Fe) – Materiales de alta precisión

– Cuproníquel

• Aplicaciones – Aleante para aceros

– Fabricación de superaleaciones

– Revestimiento de monedas

– Imanes permanentes y dispositivos electrónicos

Niquel y aleaciones Materiales Metálicos

METALES PRECIOSOS

Son materiales puros o

aleaciones formadas a partir del

oro (Au), el paladio (Pd), la plata

(Ag) y el platino (Pt)

METALES PRECIOSOS

METALES REFRACTARIOS

Se definen como aquellos

metales con una alta resistencia

térmica y al desgaste.

Niobio (Nb)

Molibdeno (Mo)

Tungsteno (w)

Tantalio(Ta)

Renio(Re)

METALES REFRACTARIOS

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