Manejo de Materiales

Elementos básicos para la selección de un equipo transportador

El estudio de los diferentes sistemas que se emplean en la industria básica para llevar a cabo las operaciones de traslado, apilado, desapilado, carga y descarga de los minerales o materiales a granel, a excepción de aquellos movimientos, en general, de corta longitud, que están íntimamente ligados a los problemas de laboreo.

Se trata, pues, de transportes mecanizados cuya selección y proyecto idóneo en cada caso representa un problema en cuya resolución tiene una importancia formidable la experiencia, pero que, indudablemente, no puede abordarse con probabilidades de éxito si no se conocen las posibilidades que la industria del transporte, en general, brinda como consecuencia de la autoselección que el progreso industrial y minero ha ido realizando poco a poco, consagrando una serie de sistemas de transporte.

La transcendencia económica de los transportadores es tan importante a veces, como el propio sistema de extracción, beneficio o transformación. No es, pues, de extrañar que desde hace unos cuarenta años se venga trabajando en el estudio de los principios básicos que influyen sistemáticamente en la eficiencia y abaratamiento de los mismos, siendo quizá los americanos los que con más claridad de juicio, y sobre todo de su transcendencia económica, han investigado sobre esta técnica.

De estos estudios sistemáticos se han sacado unos principios básicos, cuya influencia en el abaratamiento y eficiencia de un transporte es evidente, y que pueden agruparse como sigue:

• Planificación o planteamiento gráfico y cronométrico del transporte que es necesario realizar.

• Observancia de las normas generales de empleo.

• Selección del equipo. • Estudio económico y comparativo.

Análisis de los principios básicos para establecer un transporte

Agrupados en la forma que antecede los principios básicos, que vamos estudiar en qué consisten, para tenerlos en cuenta al establecer o adoptar un sistema de transporte.

A) Planificación del transporte. Debe hacerse teniendo en cuenta los siguientes principios: a) Todo movimiento es dinero. Hay que evitar los innecesarios. b) Previsión de la capacidad de almacenamiento necesaria. Esta previsión debe

hacerse con cierta holgura, de lo contrario, el transporte se ve obligado a realizar movimientos suplementarios que incrementan el costo.

c) La capacidad de almacenaje no es proporcional al área de la planta, sino al volumen que representa esa área.

d) El concepto de almacenamiento no debe estar estático, salvo casos especiales, sino móvil o, mejor dicho, renovable. Lo que los americanos llaman “parque vivo” (live storage), que se caracteriza por la máxima facilidad para su renovación.

e) Establecimiento claro del transporte que existe o el que se desea realizar mediante un “diagrama de circulación”, que puede hacerse sobre un plano de la factoría o instalación y una “hoja del proceso de transporte” con indicación de tiempo. Para ello se han adoptado internacionalmente los siguientes símbolos:

: Manipulación (actuación sobre el material)

: Transporte.

: Control (recepción cualitativa y cuantitativa).

: Espera.

: Almacenado (dispuesto por expedición).

La hoja de proceso de transporte puede adoptar el siguiente formato:

: Almacenaje para control (cuando el almacenaje es un poco duradero).

: Control sobre una operación o sobre el proceso de la manipulación durante una etapa piloto, por ejemplo

Naturalmente, esta hoja de proceso la damos a título informativo, existiendo por supuesto una serie de variantes según el tipo de material y la manipulación a que se ve sometida que puede terminar en una expedición –como en el ejemplo figurado- o en un consumo o empleo del mismo.

Una vez que se ha establecido tanto el “diagrama de circulación” como la “hoja del proceso de transporte”, es necesario hacer un análisis crítico.

Existen muchos procedimientos para ello, pero siempre encaminados a buscar una solución de mejora que debe reflejarse junto con el análisis y su crítica.

Más o menos podría establecerse un cuadro de interrogantes cuya respuesta sincera, en la mayoría de los casos acarrea mejoras cuyo orden de importancia depende naturalmente del acierto que existiera en su planteamiento inicial o en el del momento de la crítica.

Este cuadro podría ser el siguiente:

Del examen de la documentación así preparada, puede sacarse la consecuencia de si es o no conveniente un sistema de transporte, o bien, de las posibilidades de mejora que existen, pero sólo por lo que se refiere a su concepción y viabilidad técnica, es decir, a su planificación.

Se comprende que una planificación de este tipo requiere realizar sucesivamente los tres estudios: “diagrama de circulación”, “hoja del proceso de transporte” y el “análisis crítico” y solo después de varios ciclos puede llegarse a lo que en principio se considere como solución ideal.

B) Normas generales de empleo.- cualquier que sea el tipo de transporte que se haya planificado, existen normas preceptivas de carácter general que hay que considerar:

a) Seguridad en el transporte.- es la más importante no sólo por su valor humano, que ya sería suficiente, sino por la repercusión que tiene la eficacia del sistema. Según la estadística mundial que cita J. Immer en Materiales Handling, el 22 por ciento de los accidentes de trabajo se producen durante etapas de transporte.

b) Aminoración de carga y descarga.- esta norma guarda estrecha relación con el principio de volumen de almacenaje suficiente. Cuando menor es éste, mayores son los números de cargas y descargas que se realizan.

c) Emplear la fuerza de gravedad al máximo.- es el principio de la circulación descendente. Sin comentarios.

d) Revisiones periódicas del sistema de transporte.- esto implica un doble concepto, y que, por un lado, debe llevarse un control de las unidades y circuitos de transporte mediante unas hojas de revisión periódica, bien sea cronológica, por toneladas de transportadas o por kilómetros recorridos, y por otro, supone un cronometraje y revisión del conjunto para ver la continuidad o mejora conseguida; o para ver la posibilidad de reforma con vistas a una mayor eficacia.

Esto está unido al concepto moderno del “mantenimiento preventivo”, único que puede considerarse como tal, ya que el mantenimiento consistente en la reparación del material cuando éste acusa el fallo, resulta antieconómico además de peligroso.

C) Normas sobre adaptación del equipo.- la experiencia viene demostrando que cada sistema tiene un campo de aplicación más o menos limitado, bien sea por el tonelaje horario, bien por la distancia, por el tipo de recorrido, por las condiciones de emplazamiento, o por las características fisicoquímicas del material, que le hace mas eficiente y económico que los demás. Todo ello aconseja proceder, en cuanto al equipo se refiere, teniendo en cuenta los siguientes principios: a) Selección del equipo adecuado al trabajo realizar.- es necesario que el equipo que

se adopte sea el más adecuado, teniendo en cuenta la naturaleza fisicoquímica del material a emplear (densidad, temperatura, adherencia, humedad, ángulo de talud natural, ángulo de deslizamiento, etc.), distancia, tonelaje, horario, perfil del trazado, etc.

b) Padronización del material al máximo.- esto tiene influencia sobre los gastos de mantenimiento y la eficiencia del transporte. Es mucho mayor la ventaja así conseguida ya que permite reducir el número de piezas y materiales de reposición, lo que implica un menor capital inmovilizado en bodega.

c) Normas de selección para conseguir una inmovilización de unidades de transporte.- toda unidad o material parado supone un gasto para la empresa que unas veces se hace patente de un modo inmediato (costos de estadías en puerto, cargo por vagones parados, etc.) y otras no, pero con una repercusión indirecta perceptible a no muy largo plazo cuando las unidades pertenecen a la propia empresa. Ha de tenerse en cuenta, pues, al estudiar el equipo de transporte, que se encuentre concebido y dotado de los medios necesarios para que las unidades responsables del mismo subsidiarias de él tengan la menor paralización posible. Por ejemplo, si se trata de un equipo de transporte desde los silos de almacenaje para la carga de barcos y vagones mineraleros, ha de concebirse de modo que la paralización de carga y

descarga sean mínimas; en este caso está indicado el sistema semirremolcado, mediante el cual la inmovilización de la unidad tractora sea mínima.

Se comprende, en relación con esto, la enorme trascendencia de llevar a cabo el entretenimiento preventivo a que antes aludíamos.

D) Estudio de costos.- a nuestro juicio, es imprescindible llevar a cabo un estudio económico del costo de un transporte. Para dar una idea de su importancia, citamos los resúmenes estadísticos siguientes, tomados de la obra del ingeniero J.M Mallol, manutención mecánica. a) El total del peso de los materiales manipulados en un proceso de producción es el

orden de 50 veces el producto elaborado. b) El promedio del costo de transporte en un proceso industrial normal, representa no

menos del 20 al 25 por ciento del costo de fabricación. c) Las mejoras de rendimiento en los sistemas de transporte bien seleccionados

reflejados por un aumento de producción, arrojan cifras de mejoras de hasta un 50 por ciento.

d) El importe de las nóminas invertidas en un trabajo de manipulación y transporte de materiales, representa del 20 al 80 por ciento de la nómina total de fabricación.

El estudio completo de los diferentes gastos relativos a un sistema de transporte nos dará la base comparativa para una selección, dentro del marco de la equivalencia técnica de su empleo. Los gastos ocasionados por la implantación de un sistema de transporte son de las siguientes clases:

1. Gastos de instalación. 2. Gastos de explotación 3. Gastos permanentes 4. Gastos de conservación y reparación.

Vamos a examinar cada unos de ellos para estudiar, pues, su repercusión sobre el precio de coste del transporte.

Gastos de instalación

Representan, en general, los gastos de traslado de material, instalación o acondicionamiento del camino, montaje y desmontaje de las unidades de transporte, etc. Son gastos que gravarán la tonelada transportada en función del tiempo que dure la instalación y delo tonelaje transportado durante dicho tiempo. Los designaremos por Gi.

Gastos de explotación

Pueden ser de dos clases:

a) Fijos.- son independientes del tonelaje transportado y del número de kilómetros recorridos, por ejemplo, los jornales del personal encargado de la manipulación y manejo en las unidades de transporte, impuestos y alquileres o gastos similares por razones de emplazamiento, estimados todos ellos por año.

b) Proporcionalidades.- bien sea el tonelaje transportado, bien el kilometraje recorrido, bien a su producto según los casos. Tales son los consumos de gasolina, aceite, electricidad, etc., es decir, en general, gastos de energía y lubricación.

Los designaremos por

gf: gastos de explotación

gu: Gastos unitarios por tonelada transportada.

T: el número de toneladas transportada por año.

Gastos permanentes.

Depende del número de año en que se proyecte amortizar el material del transporte, en su caso, el camino. A este respecto es necesario considerar la “vida técnica” del sistema de transporte. Dentro de lo posible, es necesario prever que al cabo de cierto tiempo, menor que la vida útil del sistema, bien entretenido por supuesto, otro medio mas moderno y más económico puede hacerlo envejecer, económicamente hablando.

Hay que considerar pues la amortización técnica del sistema.

La amortización por año, con un interés anual del i % será:

Siendo a el número de años en que se piensa hacer la amortización técnica y siendo C el capital invertido, mejor dicho, el capital inmovilizado que debe amortizarse, que será la diferencia entre el capital total invertido incluidos los gastos de instalación y el valor residual previsible, en la mayoría de los casos muy próximos a cero.

Gastos de reparación y conservación

Estos gastos son proporcionales, o mejor se puede considerar proporcionales al tonelaje transportado y están integrados por los siguientes conceptos:

a) Gastos invertidos por año en reparaciones, revisiones o renovaciones de las partes cuyo desgaste así lo requiera, considerando un ciclo temporal determinado.

b) Gastos anuales de los interese correspondiente al material inmovilizado como stock de repuestos previsibles renovables más o menos parcialmente cada año, pero cuyo importe anual tiene algunos casos una evidente trascendencia económica.

Estos gastos que designaremos por gr serán:

Si como antes hemos indicado llamamos T al número de toneladas y transportada por año, podemos establecer como precio unitario de transporte por tonelada el siguiente:

Es precisamente este precio Pu el que verdaderamente debería contar para establecer el criterio económico de selección de un medio o sistema de transporte.

Tipos de Transporte. Clasificación orientativa

Llevar a cabo una clasificación, basada en el uso, de los diferentes sistemas de

transporte, incluso limitado al de productos para la industria básica, supondrá una labor tan difícil como innecesaria, al menos desde un punto de vista técnico.

Hoy día, el confusionismo de empleo, a que hacían alusión HENNES y EKSE en su libro Fundamental of Transportation Engineering, por la necesidad de atender a la creciente demanda de productos de toda clase, al multiplicarse y crecer los centros de consumo, es aún mayor, y la influencia recíproca entre técnicas aparentemente dispares, ha hecho aparecer campos de aplicación de algunos sistemas o tipos de transporte, en ciertos medios, en los que antes ni siquiera se había pensado por lo menos seriamente hablando.

Hemos visto “descender” a la mina, a la cinta transportadora reemplazando no solo al transporte ferroviario de interior si no, en algunos casos, al equipo de extracción al reemplazar el clásico pozo por un plano inclinado que aloja una “cinta de extracción”. Hemos visto sustituir el ferroviario clásico por el transporte continuo, mediante el establecimiento de un equipo de cintas transportadoras, cubriendo distancias de más de cien Km. (100 Km).

Hemos visto “ascender” de la mina a los “transportadores blindados”, utilizándolos en parques del exterior, y, por supuesto, el sistema de transporte de líquidos y sólidos por tubería en instalaciones fabriles, transporte tan ligado clásicamente a los problemas de laboreo de minas. Todo ello nos induce a prescindir a toda clasificación artificiosa, yendo directamente a una ordenación con un criterio meramente expositivo, en el que conservamos un cierto orden cronológico de aparición, empezando por los que se asientan en tierra firme, para estudiar a continuación los marítimos y fluviales, así como los de tipo hidráulicos y gaseoso.

Incluimos también el estudio de ciertas unidades auxiliares y accesorios característicos, complementarios tanto del de los transportes, como del almacenamiento, y dentro de esta línea explosiva, el de algunas instalaciones que pueden ser típicas y actuales. Esto sentado, y sólo con un carácter orientativo de visión de conjunto, podemos ordenar y clasificar el estudio de los sistemas de transporte en la forma siguiente:

A) Sistemas de transporte terrestre: - Por carretera. - Ferroviarios. - Funiculares. - Continuos.

B) Sistema de transporte espaciales: - Hidráulicos. - Neumáticos y Gaseoso.

C) Sistema de transporte marítimos y fluviales: - Marítimos. - Fluviales.

D) Sistemas de almacenamiento: - Cerrados. - De Intemperie.

Criterios definitivos de selección

Es evidente que la selección de un sistema de transporte viene en primer lugar impuesto por las consideraciones generales anteriormente expuestas, y entre ellas, el estudio económico jugara un importantísimo papel para llevar a cabo una primera selección.

Pero el estudio definitivo, una vez llevada a cabo, y estimado el coste unitario por tonelada, habrá de hacerse teniendo en cuenta por un lado la inmovilización económicamente justificable y el trazado más conveniente dentro de las posibilidades existentes.

Sin entrar en detalles sobre estos dos trascendentales puntos de vista y sólo a título de orientación, podemos hacer las siguientes consideraciones orientativas- que pueden y deben complementarse avanzando más aún en el análisis- para adoptar un criterio con carácter más definitivo que los anteriores. Inmovilización justificable

Vendrá justificada, por un lado, por el ahorro de energía, de gastos de reposición de material, de gastos fijos y de explotación y de mano de obra, y, por otro, del aumento de ganancias debida al incremento de producción. Y habrá que tener en cuenta además del interés del capital que se inmoviliza, los seguros, las amortizaciones, los impuestos y el costo de mantenimiento. Consideraciones sobre el trazado

Con cierta frecuencia el transporte es mixto. Esto es muy frecuente en transporte de mineral desde la mina al centro de consumo (sea para empleo, sea como centro de comercialización). Es frecuente que el transporte sea realizado en tres fases:

a) Transporte desde bocamina a la central de carga sobre ferrocarril o camión (transporte primario).

b) Manipulación en operaciones de almacenamiento provisional de regulación y carga sucesiva.

c) Transporte por ferrocarril o camión hasta el centro de consumo (transporte secundario).

El último, siendo realizado con frecuencia a lo largo de un camino público (un

ferrocarril o una carretera), o privado pero ya establecido, no esta en la mano del ingeniero

que trata de dar salida a sus productos, modificarlo. A lo sumo podrá optar por elegir entre dos posibles y más o menos próximos que vayan a parar al centro de consumo, siempre, naturalmente, que las condiciones de seguridad (en todos los órdenes) sean equivalentes en ambos.

Ahora bien, el emplazamiento de la estación de almacenamiento de regulación y carga y, por tanto, el establecimiento de transporte primario, si esta en su mano el elegirlo con la condición de que el coste total de transporte sea mínimo.

Características de los Materiales a Transportar

1.- Generalidades

El conocimiento de las características de los materiales a transportar es fundamental, tanto para elegir el medio más adecuado, como para estudiar los aspectos prácticos derivados de la acción del material sobre el elemento de transporte. Las principales características son las siguientes:

- Peso especifico aparente. - Tamaño. - Forma. - Ángulos de reposo. - Cohesión o fluibilidad del material. - Temperatura. - Otras propiedades del material.

2.- Características principales Peso especifico aparente

Es el correspondiente al material en su estado natural, sin compactar; su determinación práctica es sencilla, bastando pesar un volumen conocido de material, cuya magnitud depende del tamaño de éste. Tamaño

En muchos casos, tales como los materiales recién extraídos de minas y canteras; el material está formado por una mezcla de trozos grandes, medianos y finos; los trazos grandes, definen por ejemplo, la anchura de bandas y alimentadores a emplear para su transporte. Es necesario conocer aproximadamente el porcentaje de los trozos grandes respecto al total, pues ello define de una forma empírica de dicha anchura. Así, por ejemplo, para 10% de trozos grandes y 90 % de finos, el tamaño máximo de trozos es 1/3 del ancho de banda. Cuando todos los trozos son grandes y prácticamente no hay finos, el tamaño máximo del trozo debe ser 1/5 del ancho de banda. Debe, por tanto, indicarse el tamaño de los trozos mayores y su porcentaje, es decir, establecer la granulometría del

material en forma enteramente análoga a como se práctica en el manejo de áridos o en los estudios mineralúrgicos sobre preparación mecánica de menas. Símbolo Forma Equipo

I Aristas vivas, con las tres medidas aproximadamente iguales Cubo

II Aristas vivas con una dimensión muy superior a las otras dos Prisma

"agujas" III Aristas vivas con una dimensión muy inferior a las otras dos Placa

IV Aristas redondeadas con las tres medidas aproximadamente

iguales Esfera

V Aristas redondeadas con una dimensión muy superior a las otra

dos Cilindros VI Fibroso , con bucles

Ángulo de reposo

Es el que forma el material apilado libremente con respecto a la horizontal. En el caso particular de una cinta transportadora, como consecuencia del movimiento, dicho ángulo decrece del orden de 5 a 15º y suele llamársele ángulo de sobrecarga. Cohesión o fluibilidad del material Esta relacionado con los ángulos de reposo y sobrecarga y sirve para definir la sección transversal del material en una banda o alimentador, así como el ángulo de inclinación que puede tener la banda. Influye las siguientes variables sobre los valores que puede tomar: tamaño y forma de las partículas, rugosidad o suavidad de su superficie, proporción de fino y trazas grandes, humedad, etc. La F.E.M. ha establecido la siguiente clasificación:

Símbolo Cohesión Angulo de

reposo

1 Producto que se pone en suspensión en el aire y es, por tanto , tan

fluido como un liquido ---------------- 2 Producto muy fluido α<30º 3 Producto de fluidez normal 30º<α<45º 4 Producto poco fluido 45º<α<60º 5 Producto compacto α<60º 6 Producto que no fluye, resistente al dragado ----------------

Temperatura Generalmente, los materiales de transporte a la temperatura ambiente, pero en algunos casos tal como el clinker, su temperatura puede alcanzar hasta 150ºC; ellos obliga al empleo de bandas con recubrimiento especiales. En los procesos metalúrgicos no es raro que se almacenen temperaturas a las que hay que realizar el transporte de más de 400º, circunstancia que unida a otras, es necesario tener en cuenta para seleccionar el sistema adecuado. Otras características del material También han sido clasificadas por la F.E.M., de la siguiente forma: Símbolo Característica Ejemplo

n Se aglomera bajo la acción de un

agente exterior (presión, humedad, etc.)

Cal hidráulica o hidratada, azúcar en polvo, arena de fundición preparada

o Abrasivo Coke, cuarzo, escoria de horno alto p Corrosivo Sal marina q Frágil Jabón en escama r Explosivo Polvo de carbón o de azúcar s Inflamable Virutas de madera t Polvoriento Cemento

u Húmedo (Indicar el % de agua en

peso) v Pegajoso Arcilla, superfosfatos w Giroscópico Escayola, cal marina, nitrato de amonio x Con malos olores Desperdicios

En la siguiente tabla XVI están contenidas las características de los principales materiales, agrupados según sus procedencias.

3.- Características principales de transporte

Aparte de las anteriormente citadas, con un carácter general, se estudiaran otras mas relacionadas con la realización de transporte. Angulo de ascenso

Es de gran importancia, sobre todo el diseño de las cintas transportadoras. Es el ángulo máximo que pude dársele a una cinta, sin riesgo de que el material se desprenda hacia abajo. Su importancia práctica es grande, puesto que si adoptamos un ángulo pequeño para salvar una pendiente determinada, ello nos obliga a un mayor recorrido y un coste también mayor. Por el contrario, si el ángulo es grande, el material subirá con dificultad o no subirá, y la instalación de transporte será ineficiente, he, incluso peligrosa.

Cada material tiene un ángulo de ascenso, pero además, este ángulo viene influenciado por el grado de humedad, por el tamaño y forma de los trozos y por la forma en que se efecto la carga. Los trozos de forma irregular, mezclados con trozos pequeños, pueden subir pendientes mayores que trozos uniformes o de forma redondeada. La continuidad en la carga tiene también su influencia; si una banda va cargada irregularmente, el material tendrá más tendencia a deslizarse que en otra cargada con uniformidad, pues en esta el propio material se asienta mejor sobre la banda. Generalmente, el ángulo de la cinta debe ser de 5 a 10 grados inferior al ángulo de talud natural. Puede auméntese el ángulo empleando bandas nervadas en vez de lisas, Pero estas solo se emplean prácticamente en cintas pequeñas de alturas variables y desplazables, entre otras razones por la dificultad en la limpieza de la cara de la banda. Aumentando la inclinación de los rodillos portantes de la banda, la cual es la tendencia actual para lograr una mayor capacidad de transporte, se aumenta el ángulo de ascenso, pudiendo llegar este aumento hasta 4 o 5 grados. Angulo de descenso o deslizamiento sobre tolvines de caída.

Es también de una gran importancia práctica el conocer este ángulo. Depende de los materiales a transportar y de su grado de humedad, así como de la rugosidad de la superficie de deslizamiento principalmente, aunque también tiene influencia la sección del tolvin con respecto al tamaño de los trozos, la longitud del tolvin, el grado de acabado del mismo. Si hay irregularidades en el mismo, por ejemplo chapas que sobresalen, tornillos o cordones de soldadura en los que puedan detenerse los materiales, se corre el riesgo de obstrucción de los tolvines. También deben evitarse las secciones rectangulares o ángulos vivos, sustituyéndolas por secciones redondeadas, así como los cambios de sección y de dirección. Como orientación general daremos los siguientes valores: Carbón y minerales secos: 40° a 45°, mínimo. Coke en trozos: 30° Carbón en trozos grandes: 40° Cereales secos: 25° a 30° Superfosfatos y nitratos amónicos: 60° mínimo Consecuencia de su consistencia pastosa y caliente al salir de las cribas de fabricación.

La humedad, unida al grado de finura del producto, representa siempre un inconveniente grande que solo la experiencia y la experimentación permiten valorara adecuadamente. Por eso no hemos dado cifras para el caso del carbón húmedo para cuyo trasiego a través de tolvines de salida hay que recurrir muchas veces al empleo de elementos vibratorios que destruyen los abovedamientos de la masa aumentando su fluidez.

Lo acabado de decir respecto a los tolvines de caída, también puede aplicarse en parte a las tolvas de almacenamiento; sobre este aspecto, volveremos al tratar de las mismas. Entre otras propiedades, podemos citar las que tienen relación al comportamiento mecánico, térmico, magnético entre otras, de los materiales.

A.) Propiedades Térmicas: Esto se refiere a la respuesta que tienen los distintos materiales al ser calentados, es decir, al entregarles energía en forma de calor, alterando así su temperatura y dimensiones.

Algunos de los parámetros que tienen relación con las propiedades térmicas de los materiales son: Calor específico, temperatura de fusión, coeficiente de dilatación, Conductividad Térmica, etc.

a.- Calor Especifico: representa la energía requerida para aumentar en un grado la temperatura de un gramo de material [J/Kg-°K]. Se distinguen dos calores específicos, a volumen constante y a presión constante.

dT

dQC =

b.- Coeficiente lineal de dilatación térmica: Describe la cantidad en la cual cada unidad de longitud de un material cambia por grado.

Fig. Coeficientes de dilatación térmica de materiales

Fig. Grafico chef. Expansion v/s Temperatura Fusion

El grafico anterior, muestra la relación entre el coeficiente lineal de dilatación térmica y la temperatura de fusión en metales a 25 ºC. A mayor temperatura de fusión, el metal tiende a una menor dilatación

L: Constatnte de Lorenz

c.- Conductividad Térmica (k) : Propiedad dependiente de la microestructura que mide la tasa a la cual el calor es transferido a través de un material.

dx

dtkq −=

Fig. 1.4.- Temperatura de fusión de los Materiales:

Fig. c.2. Algunos valores para distintos materiales de

conductividad térmica

B).- Propiedades Mecánicas:

a. Módulo de elasticidad: En la primera parte del ensayo de tensión, el material se deforma elásticamente, o sea que si se elimina la carta sobre la muestra, volverá a su longitud inicial. Para metales, la máxima deformación elástica es usualmente menor a un 0.5%. En general, los metales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión y la deformación en la región elástica en un diagrama tensión – deformación que se describe mediante la ley de Hooke:

εσ=E

Donde, E es el módulo de elasticidad o módulo de Young

σ es el esfuerzo o tensión

ε es la deformación

Fig. d.1. Tabla de Temperaturas de Fusion o Ablandamiento

El módulo de Young tiene una íntima relación con la fuerza de enlace entre los átomos en un material. Los materiales con un módulo elástico alto son relativamente rígidos y no se deforman fácilmente. Nótese que en la región elástica del diagrama tensión – deformación el módulo de elasticidad no cambia al aumentar la tensión.

Fig. 2.1. Algunos valores para algunos materiales del modulo elástico

b. Límite elástico: Es la tensión a la cual un material muestra deformación plástica significativa. Debido a que no hay un punto definido en la curva de tensión – deformación donde acabe la deformación elástica y se presente la deformación plástica se elige el límite elástico cuando tiene lugar un 0.2% de deformación plástica, como se indica en la figura 2.

El límite elástico al 0.2% también se denomina esfuerzo de fluencia convencional a 0.2%.

Para determinarlo se procede así:

Inicialmente se dibuja una línea paralela a la parte elástica (lineal) de la gráfica tensión – deformación a una deformación de 0.002 (m/m ó pulg/pulg).

En el punto donde la línea intercepta con la parte superior de la curva tensión deformación, se dibuja una línea horizontal hasta el eje de tensión.

El esfuerzo de fluencia convencional a un 0.2% es la tensión a la que la línea horizontal intercepta con el eje de tensión.

Debe aclararse que el 0.2% se elige arbitrariamente y podría haberse elegido otra cantidad pequeña de deformación permanente.

Fig.2: Obtención del limite elástico al 0.2%

c. Resistencia máxima a la tensión: La resistencia máxima a la tensión es la tensión máxima alcanzada en la curva de tensión – deformación. Si la muestra desarrolla un decrecimiento localizado en su sección (un estrangulamiento de su sección antes de la rotura), la tensión decrecerá al aumentar la deformación hasta que ocurra la fractura puesto que la tensión se determina usando la sección inicial de la muestra. Mientras más dúctil sea el metal, mayor será el decrecimiento en la tensión en la curva tensión-deformación después de la tensión máxima.

La resistencia máxima a la tensión de un material se determina dibujando una línea horizontal desde el punto máximo de la curva tensión – deformación hasta el eje de las tensiones (punto TS en la figura 5). La tensión a la que la línea intercepta al eje de tensión se denomina resistencia máxima a la tensión, o a veces simplemente resistencia a la tensión o tensión de fractura.

d. Porcentaje de elongación (estiramiento): La cantidad de elongación que presenta una muestra bajo tensión durante un ensayo proporciona un valor de la ductilidad de un material. La ductilidad de los materiales comúnmente se expresa como porcentaje de la elongación, comenzando con una longitud de calibración usualmente de 2 pulg (5,1 cm). En general, a mayor ductilidad (más deformable es el metal), mayor será el porcentaje de la elongación.

El porcentaje de elongación de una muestra después de la fractura puede medirse juntando la muestra fracturada y midiendo longitud final con un calibrador. El porcentaje de elongación puede calcularse mediante la ecuación

%100%0

0 xl

llelongacion

−=

Este valor es importante en ingeniería no solo porque es una medida de la ductilidad del material, sino también porque da una idea acerca de la calidad del mismo. En caso de que haya porosidad o inclusiones en el material o si ha ocurrido algún daño por un sobrecalentamiento del mismo, el porcentaje de elongación de la muestra puede decrecer por debajo de lo normal.

e. Porcentaje de reducción en área

Este parámetro también da una idea acerca de la ductilidad del material. Esta cantidad se obtiene del ensayo de tensión utilizando una muestra de 0.5 pulgadas (12.7mm) de diámetro. Después de la prueba, se mide el diámetro de la sección al fracturar. Utilizando la medida de los diámetros inicial y final, puede determinarse el porcentaje de reducción en el área a partir de la ecuación.

%100_%0

0 xA

AAareareduccion f−

=

f. Dureza: Es una medida de la resistencia de un material a la deformación permanente (plástica) en su superficie, o sea la resistencia que opone un material a ser rayado o penetrado.

La dureza de una material se mide de varias formas dentro de las cuales se pueden destacar las durezas “mecánicas” y la dureza de Mohs.

En las durezas mecánicas se utiliza un penetrador sobre la superficie del material. Sobre este penetrador se ejerce una carga conocida presionando el penetrador a 90�de la superficie del material de ensayo. El penetrador tiene diferentes formas y de acuerdo a esta es la huella que queda impresa en el material. De acuerdo a la geometría de la huella y a la carga. Se utilizan diferentes fórmulas para determinar el valor de la dureza. Actualmente hay aparatos que leen la dureza de una forma digital. Es así como puede establecerse la dureza Brinell, Vickers, Knoop, y Rockwell.

Fig.5.0.- Indentadores típicos de cada una de las durezas mecánicas.

Fig.5.1.- Comparación entre escalas de dureza

g. Ductilidad en tensión: La ductilidad es la propiedad mecánica que hace referencia a la habilidad que tiene un material para ser deformado plásticamente sin fracturarse.

Algunos valores para ciertas propiedades de materiales ferrosos y no ferrosos se presentan a continuación:

Fig. Algunas propiedades para materiales ferrosos

Fig. Algunas propiedades para materiales no ferrosos

C).- Propiedades Magnéticas:

El magnetismo es el fenómeno por el cual los materiales muestran una fuerza atractiva ó repulsiva ó influyen en otros materiales, ha sido conocido por cientos de años.

El hierro, algunos aceros y la magnetita son ejemplos bien conocidos de materiales que exhiben propiedades magnéticas. No tan familiar sin embargo, es el hecho de que todas las sustancias están influidas de una u otra forma por la presencia de un campo magnético.

De acuerdo a sus propiedades magnéticas, los medios materiales se pueden clasificar en

a. Diamagnéticos: Los materiales diamagnéticos son `débilmente repelidos' por las zonas de campo magnético elevado.

Fig. Valores para la Susceptibilidad Magnéticas para algunos materiales Diamagnéticos.

b. Paramagnéticos: Débilmente atraído por las zonas de campo magnético intenso. Se observa frecuentemente en gases.

Fig. Valores para Susceptibilidad Magnética para materiales Paramagnéticos

c. Ferromagnéticos: Fuertemente atraídos por las zonas de campo magnético intenso (presentan además fenómenos de histéresis y existen dominios ferromagnéticos). Se observa en fierro, níquel, cobalto y aleaciones. Se caracterizan por ser siempre metálicos, y su intenso magnetismo no es debido a los dipolos. Este magnetismo puede ser conservado o eliminado según se desee, los 3 materiales ferromagnéticos son el hierro, el cobalto y el

níquel. La causa de este magnetismo son los electrones desapareados de la capa 3d, que presentan estos elementos.

d. Ferrimagnéticos: Son cerámicos y su magnetización es significativa pero menor que en los ferromagnéticos, sus conductividades son bajas, lo que hace que sean aplicables en electrónica.