procesos de manufactura - tipos de materiales, estructura, propiedades y aplicaciones

7/24/2019 Procesos de Manufactura - Tipos de materiales, estructura, propiedades y aplicaciones

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Septiembre 2014

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PROCESOS DE MANUFATURATipos de materiales, estructura, propiedades y aplicaciones

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Introduccin

Metales Polmeros Cermicos

Compuestos

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Qu es un metal?

Un metal es una categora de materiales que se caracterizan generalmente por tenerpropiedades de ductilidad, maleabilidad, lustre y conductividad elctrica y trmica

elevadas.

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Metalesy no metales

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Diagramas de fase

Diagrama de fase es un medio grfico de representar las fases de un sistema dealeacin metlica como una funcin de la composicin y la temperatura.

Una fase se define como una porcin fsicamente distinta y homognea en unmaterial; cada fase es una parte homognea de la masa total y tiene sus propiascaractersticas y propiedades.

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Diagrama de fases Cu-Ni (sistemas de dos fases)La aleacin con partculas finamente dispersas (partculas de la segunda fase) es unmtodo importante para reforzar las aleaciones y controlar sus propiedades. En lasaleaciones de dos fases, las partculas de la segunda fase obstaculizan el movimientode las dislocaciones y, por ello, incrementan la resistencia.

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DiagramaNquel - Zinc

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Diagrama de fase plomo-estaoLas fases simples, alfa y beta, son soluciones slidas. Obsrvese que las regiones de fase simpleestn separadas de la fase lquida mediante dos regiones de dos fases: alfa lquido y betalquido.

A este punto se le conoce como punto eutctico y en l la solucin lquida se separa en loscomponentes alfa y beta. La palabra eutctico proviene del griego eutektos, que significafcilmente fundido.

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Metales ferrosos

Los aceros e hierros fundidos estn representados por el sistema

binario hierro-carbono. El hierro comercialmente puro contienehasta 0.008% de C, los aceros hasta 2.11% de C y los hierrosfundidos hasta 6.67% de C, aunque la mayora de stoscontienen menos de 4.5% de C.

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Diagrama de fase hierro-carbono

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Ferrita.Laferrita alfa, o simplementeferrita, es una solucin slida de hierrocbico centrado en el cuerpo; tiene una mxima solubilidad slida de 0.022%

de C a una temperatura de 727 C (1341 F). La ferrita delta es estable slo atemperaturas muy altas y no tiene importancia prctica en la ingeniera. Laferrita es relativamente suave y dctil; es magntica desde la temperaturaambiente hasta 768 C (1414 F).

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Diagrama de fase hierro-carbonoAustenita. dentro de cierto margen de temperatura, el hierro sufre unatransformacin polimrfica de la estructura bcc a una estructura fcc paraconvertirse en hierro gama o (ms comnmente) austenita. sta tiene unasolubilidad slida de hasta 2.11% de C a 1148 C. Debido a que la estructurafcc tiene ms posiciones intersticiales, la solubilidad slida de la austenita escasi dos rdenes de magnitud mayor que la de la ferrita, ocupando el carbonolas posiciones intersticiales

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Cementita. es 100% de carburo de hierro (Fe3C) y tiene un contenido decarbono de 6.67%. La cementita (del latncaementum,que significaastillade

piedra), tambin se llama carburo. No debe confundirse este carburo dehierro con otros carburos utilizados como matrices, herramientas de corte yabrasivos (como el carburo de tungsteno, de titanio y de silicio). La cementitaes un compuesto intermetlico muy duro y frgil que tiene una influenciasignificativa en las propiedades de los aceros. Puede incluir otros elementosde aleacin, como cromo, molibdeno y manganeso.

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Aleaciones metlicas

Elacero es una aleacin de hierro que tiene un contenido de carbono quevara entre 0.02% y 2.11%. Es frecuente que tambin incluya otrosingredientes de aleacin: manganeso, cromo, nquel y molibdeno; pero es elcontenido de carbono lo que convierte al hierro en acero.

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Aceros al carbono

Estos aceros contienen carbono como elemento principal de la aleacin, y slo pequeascantidades de otros elementos (lo normal es alrededor de 0.5% de manganeso). El

contenido creciente de carbono da resistencia y dureza al acero, pero reduce su ductilidad.

1. Aceros al bajo carbono. Contienen menos del 0.20% de C y son por mucho los msutilizados. Las aplicaciones normales son en las piezas automotrices de lmina, placa deacero para la fabricacin y vas frreas. Es relativamente fcil dar forma a estos aceros, locual los hace de uso muy difundido en aplicaciones que no requieren una resistenciaelevada. Por lo general, tambin los aceros fundidos caen en este rango de carbono.

2. Aceros al medio carbono.Su contenido de carbono vara entre 0.20% y 0.5 %, y seespecifican para aplicaciones que requieren una resistencia mayor que las de los aceros albajo carbono. Las aplicaciones incluyen componentes de maquinaria y piezas de motorestales como cigeales y rodillos de transmisin.

3. Aceros al alto carbono. Contienen carbono en cantidades superiores a 0.50% y seespecifican para aplicaciones que necesitan resistencias an mayores y tambin rigidez ydureza. Algunos ejemplos son resortes, herramientas y hojas de corte y piezas resistentes aldesgaste.

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Aceros de baja aleacinSon aleaciones de hierrocarbonoque contienen elementos adicionales en cantidades que totalizanmenos de 5% del peso. Las propiedades superiores por lo general significan ms resistencia, dureza,dureza en caliente, resistencia al desgaste, tenacidad y combinaciones ms deseables de stas. Esfrecuente que se requiera tratamiento trmico para lograr propiedades mejoradas. Los elementoscomunes de aleacin que se agregan al acero son :

El cromo (Cr) mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y dureza en caliente. Enproporciones significativas, el Cr mejora la resistencia a la corrosin.

El manganeso (Mn) mejora la resistencia y dureza del acero. Debido a estos beneficios, elmanganeso es un ingrediente que se usa mucho en las aleaciones de acero.

Elmolibdeno(Mo) incrementa la tenacidad y dureza en caliente. Tambin mejora la templabilidady forma carburos que dan resistencia al desgaste.

Elnquel(Ni) mejora la resistencia y la tenacidad. Incrementa la dureza pero no tanto como losotros elementos de las aleaciones del acero.

Elvanadio(V) inhibe el crecimiento de granos durante el procesamiento a temperaturas elevadas,lo cual mejora la resistencia y tenacidad del acero. Tambin forma carburos que incrementan laresistencia al desgaste.

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Aceros inoxidables

Constituyen un grupo de aceros altamente aleados diseados para proporcionar resistencia a la corrosin. El elementoprincipal de la aleacin es el cromo, por lo general arriba del 15%. El nquel es otro ingrediente de aleacin que seemplea en ciertos aceros inoxidables. El carbono se utiliza para dar resistencia y endurecer el metal. Los acerosinoxidables se dividen en grupos que reciben su nombre por la fase predominante presente en la aleacin atemperatura ambiente:

1.Inoxidables austenticos.Su composicin normal es de 18% de Cr y 8% de Ni, y son los ms resistentes a la corrosin.No son magnticos y son muy dctiles, pero muestran un endurecimiento por trabajo significativo. Los acerosinoxidables austenticos se emplean para fabricar equipo de procesamiento qumico y de alimentos, as como piezas demaquinaria que requieren alta resistencia a la corrosin.

2.Inoxidables ferrticos.Contienen de 15% a 20% de cromo, poco carbono y nada de nquel. Los aceros inoxidablesferrticos son magnticos y menos dctiles y resistentes a la corrosin que los austenticos. Las piezas fabricadas conellos van desde utensilios de cocina hasta componentes de motores a reaccin.

3.Inoxidables martensticos.Tienen un contenido de carbono ms elevado que los ferrticos, lo que permite que se lesd resistencia por medio de tratamiento trmico. Tienen hasta 18% de Cr pero nada de Ni. Son fuertes, duros yresistentes a la fatiga, pero por lo general no tan resistentes a la corrosin como los de los otros dos grupos. Losproductos ms comunes incluyen instrumentos de corte y quirrgicos.

4.Aceros inoxidables de precipitacin. Tienen una composicin qumica tpica de 17% de Cr y 7% de Ni, con cantidadespequeas adicionales de elementos de aleacin tales como aluminio, cobre, titanio y molibdeno. A temperaturas

elevadas mantienen su fuerza y resistencia a la corrosin, lo que hace que estas aleaciones sean apropiadas paraaplicaciones aeroespaciales.

5. Inoxidables dplex. Poseen una estructura que es una mezcla de austenita y ferrita en cantidades aproximadamenteiguales. Su resistencia a la corrosin es similar a los grados austenticos y muestran resistencia mejorada alagrietamiento por esfuerzo-corrosin. Las aplicaciones incluyen intercambiadores de calor, bombas y plantas detratamiento de aguas residuales.

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Hierros coladosEl hierro colado es una aleacin de hierro que contiene de 2.1% a 4% decarbono, y de 1% a 3% de silicio. Su composicin lo hace muy apropiado comometal de fundicin.

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Hierroscolados

Hierro colado gris. Tiene una composicin que va de 2.5% a 4% de carbono y de 1% a 3% de silicio. Esta qumica da comoresultado la formacin de escamas de grafito (carbono) distribuidas en todo el cuerpo fundido hasta que se solidifica. Laestructura ocasiona que la superficie del metal adquiera un color gris cuando se fractura. La dispersin de las escamas de

grafito es responsable de dos propiedades atractivas: 1) buen amortiguamiento a la vibracin, que es deseable en losmotores y otra clase de maquinaria, y 2) cualidades de lubricacin interna, lo que hace maquinable al metal fundido.

Hierro dctilEste es un hierro con la composicin del gris en el que el metal fundido recibe tratamiento qumico antes devaciarlo para ocasionar la formacin de esferoides de grafito en lugar de escamas. Esto da como resultado un hierro msdctil y fuerte, de ah su nombre. Las aplicaciones incluyen componentes de maquinaria que requieren resistencia elevada ybuena resistencia al desgaste.

Hierro colado blancoEste hierro colado tiene menos carbono y silicio que el gris. Cuando se fractura, la superficie adquiereuna apariencia cristalina blanca. El hierro fundido blanco es duro y frgil, y su resistencia al desgaste es excelente. Esapropiado para aplicaciones en las que se requiere resistencia al desgaste. Un buen ejemplo son las zapatas de los frenos deun ferrocarril.

Hierro maleableCuando las piezas fundidas de hierro colado blanco se tratan trmicamente para separar el carbono de lasolucin y formar agregados de grafito, el metal que resulta se llama hierro maleable. La microestructura nueva poseeductilidad sustancial. Los productos comunes hechos de hierro colado maleable, incluyen ajustes y bisagras para tubos,

ciertos componentes de mquina y piezas de equipo ferroviario.

Hierros de aleaciones fundidasLos hierros colados pueden estar aleados para buscar propiedades y aplicaciones especiales.Estas aleaciones de hierro colado se clasifican como sigue: 1) tipos tratables trmicamente que pueden endurecerse pormedio de la formacin de martensita; 2) tipos resistentes a la corrosin, cuyos elementos de aleacin incluyen nquel ycromo, y 3) tipos resistentes al calor que contienen proporciones elevadas de nquel para tener dureza en caliente yresistencia a la oxidacin por alta temperatura.

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Metalesno ferrososLos metales no ferrosos incluyen elementos y aleaciones metlicas que no se basan en el hierro.Los metales ms importantes de la ingeniera en el grupo de los no ferrosos son el aluminio, elcobre, el magnesio, el nquel, el titanio y el zinc, as como sus aleaciones.

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Metalesno ferrosos

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MetalespreciososLos metales preciosos, tambin llamados metales nobles debido a que soninactivos en cuanto a la qumica, incluyen el oro, platino y plata. Como grupo,los metales preciosos poseen densidad elevada, ductilidad buena,conductividad elctrica alta, resistencia a la corrosin y temperaturas defusin moderadas.

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Polmeros

Unpolmeroes un compuesto que consiste en molculas de cadena larga, cada una de

las cuales est hecha de unidades que se repiten y conectan entre s. En una sola

molcula de polmero puede haber miles, incluso millones, de unidades. La palabra sederiva de los vocablos griegos poly, que significa muchos, y meros (que se contrae amero), que esparte. La mayora de los polmeros se basan en el carbono, y por ello seles considera productos qumicos orgnicos.

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Polmeros y elastmerosPara estudiar los polmeros como materia tcnica, es apropiado dividirlos en las siguientestres categoras.

1.Los polmeros termoplsticos, tambin llamados termoplsticos (TP), son materialesslidos a temperatura ambiente, pero si se les calienta a temperaturas de apenas unoscuantos cientos de grados, se vuelven lquidos viscosos. Esta caracterstica permite queadopten formas de productos de modo fcil y econmico. Se pueden sujetar repetidasveces al ciclo de calentamiento y enfriamiento sin que el polmero se degrade en formasignificativa.

2. A diferencia de los termoplsticos, los polmeros termofijos, o termofijos(termoestables) (TS), no toleran ciclos repetidos de calentamiento. Cuando se calientan deinicio, se suavizan y fluyen de modo que se pueden moldear, pero las temperaturas

elevadas tambin producen una reaccin qumica que endurece el material y lo convierteen un slido que no se puede fundir. Si se le vuelve a calentar, los polmeros termofijos otermoestables se degradan y carbonizan, en vez de suavizarse.

3. Loselastmeros(E) son los cauchos. Se trata de polmeros que presentan alargamientoelstico extremo si se les sujeta a un esfuerzo mecnico relativamente dbil. Algunoselastmeros son capaces de estirarse en un factor de 10 y aun as recuperar su formaoriginal por completo.

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Polmeros termoplsticos

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Polmeros termofijos

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Polmeros termofijos

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Elastmeros

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Elastmeros

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Cermicostradicionales

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Cermicos

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Cermicos

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Elvidrioes un slido amorfo con la estructura de un lquido. Se ha superenfriado(enfriado a una velocidad demasiado alta para permitir la formacin de cristales).Tcnicamente, se define como un producto inorgnico de fusin que se ha enfriadohasta adquirir una condicin rgida sin cristalizarse.

Vidrio

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Materialescompuestos

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