Materiales De Uso Industrial 321736

1. LOS MATERIALES DE USO IDUSTRIAL Los materiales son sustancias o productos con propiedades físico-químicas que los hacen útiles y con valor añadido como componentes de estructuras, máquinas y dispositivos. Los materiales constituyen el subconjunto de la materia que el hombre utiliza en la fabricación de sus productos. Los materiales son la

fuerza motriz del progreso. Para entender la importancia

de los materiales en la historia de la humanidad, hay que recordar que esta ha estado siempre ligada a los materiales: la edad de piedra, del cobre, del bronce, del hierro, etc. Inclusive, el siglo XX fue llamado como la edad del plástico y/o del silicio. Vivimos en un mundo que es simultáneamente dependiente y limitado por los materiales. Para darnos cuenta de esto, solo basta observar todo lo que nos rodea: carros, aviones, computadores, televisores, radios, máquinas, dispositivos biomédicos, entre otros. Todas estas aplicaciones necesitaron del desarrollo de materiales y procesos de fabricación

a fin

de conferirles las propiedades y

funcionalidad requerida para un óptimo funcionamiento. Figura 1. Diferentes aplicaciones de los materiales

Las nuevas tecnologías del siglo XXI, tendrán la responsabilidad de desarrollar y aplicar nuevos materiales

y

procesos de fabricación, el avión supersónico

comercial requerirá aleaciones metálicas de mayor resistencia a elevada temperatura las computadoras ópticas sólo serán posibles con materiales

optoelectrónicos mejorados; los hogares "inteligentes" necesitarán de materiales que actúen como sensores de temperatura, presión, sonido y con un mínimo consumo energético; los "biónicos" se construirán con materiales que emulen el comportamiento de los materiales biológicos. Paralelamente, los materiales y procesos de fabricación deberán materiales deberán

preservar el ambiente. Los

ser reciclables y/o biodegradables, los procesos de

fabricación deberán ser energéticamente más eficientes y menos contaminantes.

1.1 El Estudio de los Materiales Es claro que las sociedades humanas desarrollaron y usaron gran cantidad de materiales mucho antes de contar con las bases científicas que explicaran el por qué de sus propiedades, fueran éstas, por ejemplo, la maleabilidad de un metal, la dureza de un diamante, la resistencia al calor de una cerámica o la lubricidad del grafito. Las aplicaciones de los materiales se fueron diferenciando paulatinamente, de acuerdo con el tipo de material y necesariamente de su precio. Surgieron oficios especializados dedicados al trabajo de los metales, de las cerámicas, de las maderas, de los vidrios, etc., los cuales se encargaron de preservar y mejorar las tecnologías aplicables a los distintos materiales. La producción de muchos materiales se volvió interdependiente; el hierro y el acero dependen para su fabricación de un suministro de materiales refractarios adecuados; éstos últimos, a su vez, requieren para su generación de la disponibilidad de materias primas minerales; para cerrar el círculo, las grandes explotaciones mineras consumen grandes cantidades de hierro y acero en las minas y plantas de beneficio, así como en la transportación (ferrocarriles, buques, camiones) de los minerales que produce. De los oficios relacionados con la producción y el uso de los materiales se pasó a un nivel superior y se generaron las profesiones correspondientes. La ingeniería química la metalúrgica y la de cerámicos surgieron con el apoyo de las grandes industrias que producían y empleaban materiales metálicos, poliméricos y

refractarios. Aunque originalmente existía cierta relación entre ellas, de hecho, con el tiempo estas profesiones se fueron aislando más unas de las otras, probablemente por el afán de especialización que se observó tan notablemente en la mayoría de las profesiones científicas y técnicas durante el presente siglo. A pesar de esta aparente diferenciación entre los profesionales y los científicos del campo de los materiales, en la década de los 50's era ya evidente para algunos visionarios que, si bien existían diferentes tipos de materiales, debería ser posible entender y explicar sus propiedades y comportamiento - que constituyen la causa fundamental del interés práctico en ellos - sobre bases científicas generales emanadas de la compresión de su estructura, entendida ésta como la forma en que están constituidos los materiales, tanto en escala macroscópica como microscópica, y aún atómica Por otra parte, la estructura de los materiales está determinada por el procesamiento a que son sometidos en el curso de su fabricación o con el transcurso del tiempo. Finalmente, las propiedades, la estructura y el procesamiento, en forma conjugada, se relaciona íntimamente con el uso del material, y viceversa. Gráficamente estas interrelaciones se han popularizado como se ilustra en la figura. Figura 1.2 Interrelaciones entre las principales variables que determinan el uso de los materiales

Las interrelaciones mostradas en la figura pueden ilustrarse más claramente mediante un ejemplo sencillo. Tomemos el caso de los aceros para la carrocería de los carros. Establecido así el uso de este material, se deduce que las propiedades más importantes con que debe contar son: ductilidad durante la manufactura de la carrocería, resistencia mecánica durante la vida útil del carro, facilidad de unir partes de acero mediante soldadura, reciclabilidad (un aspecto cada día más relevante), buen acabado superficial y tomando el término propiedades en un sentido muy amplio bajo costo. Las propiedades enlistadas pueden obtenerse con aceros de bajo carbono (materiales reciclables), que son dúctiles y soldables cuando están constituidos por una estructura basada en la fase ferrita (hierro casi puro), pero con una estructura de grano muy fino (Fig. 3), que les imparta suficiente resistencia mecánica. La estructura ferrítica de grano fino en aceros de bajo carbono, así como el buen acabado superficial, es lograda al aplicar un procesamiento térmico y mecánico adecuado. Figura 1.3 Estructura microscópica de un acero bajo carbón.

En la práctica diaria de la industria moderna es poco frecuente que se encuentren situaciones a resolver que solamente impliquen un tipo específico de material a la vez. Un automóvil moderno contiene cantidades considerables de metales, polímeros y materiales compuestos (mezclas sintéticas de varios tipos de

materiales) y la tendencia es hacia una diversificación aún más marcada de sus materiales componentes.

1.3 CLASES PRINCIPALES DE MATERIALES Se considera que las clases principales de los materiales tecnológicos son: 1) metales,

2)

cerámicos,

3)

polímeros,

4)

materiales

compuestos

y

5)

semiconductores. Los metales, con los que probablemente las personas estén más familiarizadas, incluyen al hierro, al cobre, al aluminio, a la plata, al oro, entre otros y sus respectivas aleaciones; entre los cerámicos se incluyen la arena, los ladrillos y el mortero, el vidrio de ventana y el grafito; como ejemplos de polímeros familiares se tiene a la celulosa, al nylon, al polietileno, al teflón, al Kevlar y al poliestireno; a las mezclas resultantes con cada uno de materiales previamente mencionados , se llaman materiales compuestos, como los de carbono-carbono que se usan en las losetas del transbordador espacial, y las fibras de carbono en una matriz de epóxico que se usa en las raquetas de tenis y en los esquís. Los semiconductores más simples son el silicio y el germanio. Al comprender las semejanzas y las diferencias entre esas clases de materiales, se podrá elegir, en forma inteligente, los materiales que permitan vencer los desafíos de la tecnología moderna. ¿Por qué se ordenaron los materiales en los grupos que se citaron arriba? Muchos materiales tienen estructuras atómicas parecidas o propiedades técnicas útiles, que hacen que la clasificación en esos 5 grandes grupos sea adecuada. Se debe reconocer que esas clasificaciones son algo arbitrarias y que pueden cambiar al presentarse nuevos descubrimientos y avances en la tecnología. Los materiales compuestos, que también se llaman a veces "materiales diseñados", son un buen ejemplo de una nueva clasificación. Esos materiales se forman combinando otros materiales (que con frecuencia son convencionales), mediante una tecnología avanzada, para obtener propiedades que no se encontraban en las clases existentes de materiales.

Si bien las propiedades de un material se relacionan con su estructura, es importante comprender que la forma en la que se procesa un material afecta a su estructura y por consiguiente a sus propiedades. Como ejemplo de este importante concepto, hay que recordar el inmenso efecto que puede tener el procesamiento térmico sobre las propiedades del acero. Este metal, si se enfría lentamente desde una temperatura alta, será relativamente blando y tendrá poca resistencia. Si el mismo acero se templa (es decir, se enfría rápidamente) desde la misma alta temperatura, será extremadamente duro y quebradizo. Finalmente, si se templa y después se recalienta a una temperatura intermedia, tendrá una combinación excelente de resistencia y tenacidad. 1.3.1 Metales Los metales son sólidos en los que los átomos están ubicados en posiciones regularmente definidas y repetitivas en la estructura. Esas estructuras regulares y repetitivas, llamadas cristales, originan propiedades específicas. Los metales son excelentes conductores de electricidad, son relativamente resistentes y densos, se pueden amoldar en formas complejas y resisten a la ruptura por fragilidad cuando se someten a grandes fuerzas de impacto. Este conjunto de propiedades mecánicas y físicas hace que los metales sean una de las clases más importantes de materiales, tanto para aplicaciones eléctricas como estructurales. El uso difundido (y en algunos casos exclusivo) de los metales se da en los automóviles, aviones, edificios, puentes, máquinas herramienta, barcos y muchas aplicaciones más, donde se requiere una combinación de alta resistencia y resistencia a la fractura frágil. De hecho, debido principalmente a la excelente combinación de resistencia y tenacidad (es decir, resistencia a la fractura), los metales son tan atractivos como los materiales estructurales. El conocimiento básico de los metales y sus propiedades está desarrollado, y se considera que esos conocimientos son maduros y que hay poco potencial para grandes avances. Sin embargo, se han hecho mejoras importantes, y continúan

haciéndose, como resultado del progreso en el procesamiento. Dos ejemplos que podemos citar son: Se han alcanzado mayores temperaturas de funcionamiento en los motores de reacción con el uso de álabes de turbina producidos con procesos de solidificación controlada. Los álabes están constituidos por aleaciones (mezclas de átomos a escala atómica) de níquel u otros metales, y tienen un extenso uso comercial. Continuarán las mejoras al refinar los procesos con el uso de sensores avanzados y de control informático en tiempo real. Con frecuencia, las partes se fabrican a partir de metales en polvo, compactándolos en una forma deseada, a temperatura y presión altas en un proceso llamado metalurgia de polvos. Una razón importante para usar ese proceso es el menor costo de fabricación. Si bien se puede obtener una mejora en las propiedades con la metalurgia de polvos, una de sus mayores ventajas es la reducción en la variación de propiedades, que permite que las cargas de operación aumenten con seguridad. Los menores costos de producción de la metalurgia de polvos continuarán impactando los campos aeroespacial y automotriz. 1.3.2 Cerámicos En general, los cerámicos están formados por especies atómicas metálicas y no metálicas. Muchos de los cerámicas (pero no todas) son cristalinos, y con frecuencia el no metal es el oxígeno, como en el AI2O3, MgO y CaO, todos ellos cerámicas tradicionales. Una diferencia significativa entre los cerámicos y los metales es que en ellas el enlace es iónico y/o covalente. Como resultado, no hay electrones "libres" en ellas. Por lo general, son pobres conductoras de la electricidad y se usan con frecuencia como aislantes en aplicaciones eléctricas. Un ejemplo común es el de las bujías automotrices, en las que un aislante de cerámica separa a los componentes metálicos.

Los enlaces iónicos y covalentes son extremadamente fuertes. En consecuencia, los materiales cerámicos son intrínsecamente más resistentes que los metales; sin embargo, debido a su estructura más compleja, los iones o átomos no pueden desplazarse con facilidad bajo fuerzas aplicadas. En vez de doblarse para acomodar tales fuerzas, las cerámicas tienden a fracturarse frágilmente. Esta fragilidad limita, por lo general, su uso como materiales estructurales, aunque se han hecho mejoras recientes incorporando fibras cerámicas en una matriz de cerámica, así como otras técnicas innovadoras. La estructura de enlaces rígidos de las cerámicas confiere otras ventajas, entre ellas la estabilidad o alta temperatura, la resistencia al ataque químico y la resistencia a la absorción de sustancias extrañas. Por ello, son ideales en aplicaciones de alta temperatura, por ejemplo, la del transbordador espacial, o como contenedores de sustancias reactivas y como vajillas de mesa para consumir alimentos, donde no se desea tener contaminación superficial. Algunas cerámicas no son cristalinas. El ejemplo más común es el vidrio de ventana, formado principalmente por SiO2 con agregados de varios óxidos metálicos. Las propiedades ópticas tienen gran importancia en el vidrio y se pueden controlar por la composición y el procesamiento. Además, las propiedades térmicas y mecánicas del vidrio también se pueden controlar. El vidrio de seguridad no es sino vidrio que se ha sometido a un ciclo térmico que deja la superficie en un estado de compresión y, por consiguiente, resistente a la ruptura. De hecho, el vidrio tratado de este modo es difícil de romper, hasta cuando se le golpea con un martillo. Algunas aplicaciones actuales y potenciales de los materiales cerámicos, con gran impacto económico, son las siguientes: En la industria automotriz, las propiedades térmicas y de resistencia de las cerámicas las hace muy atractivas para fabricar componentes de motor. Por ejemplo, en Japón hay gran cantidad de automóviles con turbocargadores

de cerámica, que aumentan la eficiencia del automóvil. Los materiales en esta aplicación son nitruro o carburo de silicio, Si3N4 o SiC, procesados para que tengan cierta capacidad de resistir la fractura frágil. Las cerámicas basadas en compuestos como YBa2Cu3O7 y Ba2Sr2CaCu2Ox han aumentado las temperaturas críticas de superconducción a más de 95 K. Esto significa que se pueden usar películas superconductoras como forros en los dispositivos de microondas y como conductores para todo tipo de aplicaciones. Es necesario mejorar la capacidad de conducción de corriente y la tecnología de conexiones para que la aplicación de esos materiales se difunda.

Las

computadoras

de

la

próxima

generación

tendrán

componentes

electroópticos de cerámica, que les permitirán tener mayor velocidad y eficiencia. 1.3.3 Polímeros Los polímeros consisten en moléculas de cadena larga con grupos repetitivos, que principalmente tienen enlaces covalentes. Los elementos comunes en la columna vertebral de la cadena son el C y el H. Un ejemplo de un polímero común con una estructura simple es el polietileno, que se ve en la figura. Los enlaces entre la columna vertebral son todos covalentes, por lo que las cadenas moleculares son extremadamente fuertes. Sin embargo, las cadenas se unen entre sí mediante enlaces secundarios comparativamente débiles. Figura1.4 Esquema de la estructura del polietileno

Esto significa que, por lo general, es fácil que se deslicen entre sí cuando se les aplican fuerzas y, en consecuencia, la resistencia del material es relativamente baja. Además, muchos polímeros tienden a reblandecerse a temperaturas moderadas, con lo que,

por lo general, no son útiles en

aplicaciones de alta temperatura. No obstante, los polímeros tienen propiedades que los hacen atractivos en muchas

aplicaciones.

Como

contienen

elementos

comunes

y

son

relativamente fáciles de sintetizar, o existen ya en la naturaleza, pueden ser poco costosos. Tienen baja densidad, en parte por los elementos ligeros que los constituyen, y se conforman con facilidad en formas complejas. Por ello, han reemplazado a los metales en las partes moldeadas de los automóviles y en aplicaciones en aeronáutica, en especial cuando son modestos los requisitos de resistencia a las cargas. Por esas propiedades, así como por su inercia química, se usan como envases de bebidas, y en tuberías. Algunas aplicaciones actuales y potenciales de los polímeros son las siguientes:

El desarrollo de polímeros biodegradables tiene el potencial de minimizar el impacto negativo que tiene sobre el ambiente la tremenda cantidad de desperdicio que genera nuestra sociedad. Los adelantos en la tecnología de cristales poliméricos líquidos pueden permitir el desarrollo de materiales estructurales ligeros.

Los polímeros electroconductores pueden reemplazar a los conductores metálicos tradicionales en aplicaciones donde el peso es crítico, como en cables eléctricos y en vehículos aeroespaciales.

1.3.4 Materiales compuestos Los materiales compuestos son estructuras en las que se combinan dos o más materiales para producir un nuevo material cuyas propiedades no se podrían alcanzar con métodos convencionales. En los ejemplos se pueden mencionar la madera contrachapada o triplex, el concreto y las llantas con cinturones de acero. Las aplicaciones más frecuentes de los materiales compuestos reforzadas con fibra se encuentran en materiales estructurales en los que son importantes la rigidez, la resistencia y la baja densidad. Hay muchas raquetas de tenis, bicicletas de carrera y esquís que se fabrican hoy a partir de un compuesto de fibras de carbono y resina epoxi, que es resistente, ligero y sólo moderadamente costoso. En este material, las fibras de carbono están embebidas en una matriz de resina epoxi, como se ve en la figura 5. Las fibras de carbono son fuertes y rígidas, pero tienen poca ductilidad. Por su fragilidad no sería práctico fabricar una raqueta de tenis o un esquí sólo con carbono. El epóxico, que en sí no es muy resistente, tiene dos papeles importantes. Es un medio de transferir la carga a las fibras, y la interfase entre fibra-matriz cede y detiene las grietas pequeñas, haciendo así que el compuesto pueda resistir mejor a las grietas que cualquiera de sus componentes.

Figura 1.5 Corte transversal de un material compuesto de fibras de carbono y resina epóxica. Se ven las fibras resistentes y rígidas del grafito embebidas en la matriz de epoxi

La resistencia y la rigidez de un material compuesto se pueden controlar variando la cantidad de fibra de carbono incorporada en la resina. Esta posibilidad de adaptar las propiedades, aunada a la baja densidad inherente del material compuesto y su facilidad relativa de fabricación, hace que sea una alternativa extremadamente atractiva para muchas aplicaciones. Además de los artículos deportivos que se describieron, se usan materiales compuestos parecidos en aplicaciones aeroespaciales, como por ejemplo en álabes de compresor

en

los

motores

de

reacción,

donde

las

temperaturas

de

funcionamiento son bajas, y para superficies de control o aletas en los aviones. En la figura 1.6 se describe el empleo de materiales compuestos en el avión caza F-18. También, se pueden fabricar los materiales compuestos al incorporar fibras resistentes de cerámica en una matriz metálica para producir un material

resistente y rígido. Por ejemplo, las fibras de SiC (carburo de silicio) embebidas en una matriz de aluminio. Este material, que se conoce como material compuesto de matriz metálica, encuentra aplicaciones como material de construcción de aviones para componentes en los que se encuentren cargas moderadas como, por ejemplo, la cubierta del fuselaje.

Figura1.6 Materiales compuestos en el avión caza F-18

Los materiales compuestos en los que se embeben fibras metálicas en una matriz de cerámica (son los compuestos de matriz de cerámica) se producen para tratar de aprovechar la resistencia

de la cerámica y al mismo tiempo

obtener un aumento en la tenacidad, debido a las fibras metálicas, que puedan deformar y desviar las grietas. Cuando se desvía una grieta se requiere más carga para hacer que continúe propagándose, y el material es realmente más tenaz. Hay algunos desarrollos y posibilidades novedosas con los materiales compuestos, como los siguientes: Hay gran potencial de reducir el peso y aumentar la carga útil en los aviones. Los usos iniciales son en las partes con poca carga, como por ejemplo los

estabilizadores verticales y las superficies de control hechos de epóxico con fibra de carbono, pero los materiales compuestos con matriz de metal desempeñarán un papel cada vez más importante. Los materiales compuestos con matriz de cerámica, para alta temperatura, permitirán el aumento de las temperaturas de funcionamiento de los motores. Un gran desafío, está en aumentar el uso de materiales compuestos para aprender a diseñar usando materiales que tienen modos de falla totalmente distintos a los de los materiales convencionales. 1.3.5 Semiconductores Los principales materiales semiconductores son los elementos silicio y germanio, que forman enlaces covalentes, y también una serie de compuestos con enlaces covalentes, incluyendo al GaAs. CdTe y al InP, entre otros. En ciertos aspectos, los semiconductores son una subclase de los cerámicos porque sus características de enlazamiento y sus propiedades mecánicas se parecen a las que describieron con anterioridad para los cerámicos. Sin embargo, la importancia comercial de los semiconductores garantiza su agrupamiento por separado. Para que estos materiales muestren el nivel de reproducibilidad de propiedades necesario en la industria de la microelectrónica, se deben procesar en formas que permitan el control preciso de la composición y la estructura. De hecho, las técnicas de procesamiento para los semiconductores están entre las más desarrolladas de aquellas que se usan para cualquier clase de material. Por ejemplo, los niveles de impureza se controlan, en forma rutinaria, en la zona de las partes por mil millones, es decir algunos átomos de impureza por cada mil millones de átomos del anfitrión. La descripción anterior sobre materiales compuestos se concentró en materiales que se usan aplicaciones estructurales. Se debe entender que los productos microelectrónicos son, en esencia materiales compuestos en los que, debido a

muchos requisitos de propiedades radicalmente distintas se deben usar distintas clases de materiales, como conductores metálicos, elementos semiconductores activos y aislantes de cerámica, estando muy cercanos entre sí. Uno de los mayores desafíos en el área de la microelectrónica está en la miniaturización y fabricación de esos dispositivos. La escala extremadamente fina de los artículos microelectrónicos actuales se ve en la figura 1.7 Se ve claramente que muchos de los componentes de esa estructura compuesta, tienen tamaños de fracciones de micras. Figura 1.7. Circuitos microelectrónicos.

Entre las aplicaciones actuales y futuras de los semiconductores y dispositivos microelectrónicos se encuentran las siguientes: El modo dominante de transferir información está cambiando de señales eléctricas a óptica Mientras que la tecnología para comunicaciones ópticas ya se ha desarrollado, los materiales y aparatos para cómputo óptico todavía se encuentran en etapa de investigación. Sin embargo, se cree que la tecnología en desarrollo dará como resultado dispositivos de cómputo mucho más rápidos y, en consecuencia, más poderosos.

La escala de tamaño de los elementos microelectrónicos continúa disminuyendo. Mientras que un "chip" característico de una computadora 486 (de mediados de la década del 90) contiene más o menos un millón de elementos, los chips de un Pentium II, tienen alrededor de 100 millones de elementos. Esto da como resultado dispositivos electrónicos más pequeños, más rápidos y más potentes. El micromaquinado es una tecnología relativamente nueva en la que se incorporan componentes mecánicos, como por ejemplo motores en miniatura,

directamente

al

chip

de

silicio.

De

esta

forma,

los

componentes eléctricos y mecánicos se enlazan íntimamente en una forma cuyo resultado es el menor tamaño y también mayor fiabilidad y eficiencia. Un ejemplo de esta tecnología es el elemento que se usa para disparar las bolsas de aire en muchos automóviles. El componente mecánico es un acelerómetro que reconoce la desaceleración rápida e inicia una señal eléctrica que produce la explosión de la bolsa de aire (en realidad, de nitrógeno).

2. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES DE USO INDUSTRIAL

2.1 MATERIALES METÁLICOS 2.1.1 MATERIALES FERROSOS FUNDICIONES VENTAJAS: Costo relativamente bajo y facilidad de fabricación. Algunas son poco resistentes a la tracción comparadas con los aceros, pero al igual que la mayor parte de los materiales fundidos tienen altas resistencias a la compresión. Densidad ligeramente inferior a la del acero en aproximadamente 0.25 lb/in3 (6920 kg/m3). La mayoría no exhiben una relación lineal esfuerzo-deformación por debajo del límite elástico (no obedecen la ley de Hooke). Su módulo de elasticidad E se estima trazando una línea desde el origen hasta un punto sobre la curva a la cuarta parte de la resistencia máxima a la tensión y en el rango de 14-25 Mpsi (97172 MPa). La composición química de as fundiciones difiere de la del acero principalmente por su mayor contenido de carbono, entre 2 y 4.5%. Esta considerable cantidad de carbono, presente en algunas fundiciones en forma de grafito, hace que estas aleaciones sean fáciles de vaciar (colar) como líquido de fundición y también fáciles de maquinar cuando pasan a sólidas. El procedimiento de fabricación más común es el vaciado en arena, con operaciones de maquinado subsecuentes. Las fundiciones, en cambio, no se sueldan con facilidad como los aceros. FUNDICIÓN BLANCA Es un material muy duro y frágil. Es difícil de maquinar y tiene usos limitados, una aplicación puede ser como recubrimiento para mezcladoras de cemento, donde es necesaria su dureza.

FUNDICIÓN GRIS Es el hierro colado de uso más común. Sus escamas de grafito le dan apariencia y nombre. La ASTM clasifica la fundición gris en siete clases, basadas en la resistencia mínima a la tensión en kpsi. La clase 20 tiene una resistencia a la tensión mínima de 20 kpsi (138 MPa). Los números de clase 20, 25, 30, 35, 40, 50 y 60 a continuación van representando el punto de fluencia a la tensión en kpsi. Su costo aumenta al incrementar su resistencia a la tensión. Esta aleación es fácil de vaciar como fusión líquida y fácil de maquinar como sólido; además, ofrece buena amortiguación acústica (de vibraciones). Esto la hace de elección popular para bastidores de máquinas, bloques de motores, rotores y tambores de frenos, entre otras. Las escamas de grafito también le dan buena lubricidad y resistencia al desgaste. Su resistencia a la tensión relativamente baja hace que no se utilice donde estén presentes grandes cargas a la flexión o a la fatiga, aunque a veces se utilizan en cigüeñales de motores de bajo costo. Si está lubricada, funciona razonablemente bien en o con el acero. FUNDICIÓN MALEABLE Esta fundición se obtiene a partir de una fundición blanca tratada térmicamente por maleabilización,

su resistencia a la tensión es más elevada que la de la

fundición gris, pero no se desgasta igual de bien. El punto de fluencia a la tensión puede ir desde 50 hasta 120 kspi (345 a 827 MPa), dependiendo de la fórmula. Se utiliza en piezas donde estén presentes esfuerzos de flexión. FUNDICIÓN NODULAR (DÚCTIL) Tiene el punto de fluencia a la tensión más elevado de todas las fundiciones, yendo desde 70 hasta 135 kpsi (480 a 930 MPa). El nombre nodular proviene del hecho que sus partículas de grafito son de forma esferoidal. La fundición dúctil tiene un módulo de elasticidad superior (unos 25 Mpsi (172 GPa) al

de la

fundición gris, y exhibe una curva lineal esfuerzo deformación. Es más tenaz, más resistente, más dúctil y menos porosa que la fundición gris. Se trata de la

fundición de elección para piezas sujetas a cargas por fatiga, como cigüeñales, pistones y levas. ACEROS ACEROS FUNDIDOS • El acero fundido es similar al acero forjado, en lo que respecta a su contenido químico, es decir, tiene mucho menos carbono que las fundiciones. • Las propiedades mecánicas del acero fundido son superiores a las fundiciones, pero inferiores a las del acero forjado. Su ventaja principal es su facilidad de fabricación por fundición en arena o a la cera perdida. • El acero fundido se clasifica de acuerdo con su contenido de carbono, en: de bajo carbono (< 0.2%), de medio carbono (de 0.2-0.5%) y de alto carbono (> 0.5%). • Las resistencias a la tensión de las aleaciones de acero fundido van desde aproximadamente 65 hasta 200 kpsi (450 a 1380 MPa). ACEROS FORJADOS El término "forjado" se refiere a todos los procesos que manipulan la forma del material, sin fundirlo. El laminado entre rodillos (o rolado) en caliente y en frío son los dos métodos más comunes aunque con muchas variables, como el trefilado de alambre, el embutido profundo, la extrusión y el embutido en frío. El denominador común es la deformación deliberada del material para cambiar su forma, ya sea a la temperatura ambiente o a temperaturas elevadas. ACEROS LAMINADOS EN CALIENTE • Se producen al obligar los lingotes calientes de acero a pasar por un conjunto de rodillos o troqueles que progresivamente modifican su forma, hasta convertirlos en vigas en I, canales, ángulos, platinas, cuadrados, redondos, tubos, láminas, placas, etc.

• El terminado superficial de las formas laminadas en caliente es áspera debido a la oxidación que se presenta a temperaturas elevadas. • Las propiedades mecánicas son también relativamente bajas, porque el material termina en un estado recocido o normalizado, a menos que deliberadamente se les dé un tratamiento térmico posterior. • Son la elección típica para de acero estructural de bajo carbono utilizados en la construcción de edificios o en los bastidores de máquinas. El material laminado en caliente también se emplea en piezas de máquina que estarán sujetas a maquinado extenso (engranes, levas, etcétera) donde el terminado inicial de la materia prima no es importante y lo que se desea es uniformidad de propiedades de un material no trabajado en frío, previo a un tratamiento térmico planeado. ACEROS LAMINADOS EN FRÍO • Se produce a partir de lingotes o de formas laminadas en caliente. • La forma es llevada a su dimensión final haciéndola pasar entre rodillos de acero endurecido o trefilándola a través de dados a la temperatura ambiente o ligeramente superior. Los rodillos o dados pulen la superficie trabajando en frío el material, incrementando su resistencia y reduciendo su ductilidad. • Poseen buen terminado superficial y dimensiones precisas, en comparación a materiales laminados en caliente. Su resistencia y dureza se han incrementado a expensas de incorporar esfuerzos significativos, que posteriormente se eliminan durante el maquinado, la soldadura o un tratamiento térmico, causando entonces distorsión. Las formas laminadas en frío disponibles de manera común son láminas, tiras, placas, barras redondas y rectangulares, tubos, etcétera. Ciertas formas estructurales, como vigas en I, son sólo laminadas en caliente. ACEROS ALEADOS • Tienen agregados varios elementos (Cr, Mo, W, V, Ni) en cierta cantidad, para mejorar resistencia, dureza, resistencia a las altas y bajas temperaturas,

resistencia a la corrosión y otras propiedades. Con estos elementos de aleación se puede combinar cualquier nivel de carbono. •Se agrega cromo para mejorar la resistencia a la oxidación, aumentar la tenacidad, la resistencia al desgaste y la capacidad de endurecimiento. •Se agrega níquel para mejorar la resistencia, sin perder ductilidad, y mejora también la capacidad de endurecimiento por cementación. •El molibdeno, utilizado en combinación con níquel y/o cromo, añade dureza, reduce la fragilidad e incrementa la tenacidad. •La resistencia máxima a la tensión de los aceros aleados puede variar desde 80 hasta 300 kpsi (550 a 2070 MPa), dependiendo de los elementos de aleación y del tratamiento térmico. ACEROS INOXIDABLES • Son aceros aleados que contienen por lo menos 11.5% de Cr y ofrecen una mucha mayor resistencia a la corrosión (oxidación) en comparación con los aceros básicos (al carbono) o aleados. Hay cuatro tipos de aceros inoxidables: el martensítico, el ferrítico, el austenítico y el de endurecimiento por precipitación (PH). • El acero inoxidable martensítico contiene 11.5 a 15% de Cr y 0.15 a 1.2% de C; es magnético y puede endurecerse por tratamiento térmico, siendo de uso común en cuchillería. • El acero inoxidable ferrítico tiene más de 16% de Cr y un bajo contenido de C; es magnético, blando y dúctil, pero no es posible darle tratamiento térmico aunque se mejora ligeramente su resistencia mediante trabajo en frío. Se utiliza para piezas de embutido profundo, como los utensilios de cocina, y tiene mayor resistencia a la corrosión que el acero inoxidable martensítico. Los aceros inoxidables ferríticos y martensíticos se conocen ambos como aceros inoxidables de la serie 400. • El acero inoxidable austenítico es aleado con 17 a 25% de cromo y 10 a 20% de níquel. •Tiene mejor resistencia a la corrosión debido al níquel; no es magnético y tiene excelente ductilidad y tenacidad. No es posible endurecerlo por tratamiento

térmico, se endurece mediante trabajo en frío. Está clasificado como acero inoxidable de la serie 300. • Los aceros inoxidables de la serie 300 son muy soldables, pero los de la serie 400 no tanto. Todos los grados de acero inoxidable tienen una conductividad térmica inferior a la del acero normal, y muchos de los aceros inoxidables son difíciles de maquinar. Todos los aceros inoxidables son con mucho más costosos que el acero normal. Figura 1. Curvas de esfuerzo-deformación para tres aceros diferentes

2.1. 2 MATERIALES NO FERROSOS

ALUMINIO • El aluminio es el metal no ferroso de más amplio uso, apenas en el segundo lugar, detrás del acero, en el consumo mundial. El aluminio se produce tanto en su forma pura como en aleación. El aluminio está disponible comercialmente hasta con 99.8% de pureza. Los elementos de aleación más comunes son el cobre, el

silicio, el magnesio, el manganeso y el zinc, en diversas cantidades, hasta alrededor de 5%. Propiedades • Baja densidad, buena relación resistencia-peso, alta ductilidad, excelente maquinabilidad, capacidad de fundición y de soldadura, resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica y eléctrica y coste razonable. En comparación con el acero, tiene un tercio de la densidad (2767kg/m3 comparado con 7750 kg/m3), alrededor de la tercera parte de su rigidez (E = 71 GPa en comparación con 207 GPa), y es menos resistente. Si se comparan las resistencias del acero al bajo carbono y del aluminio puro, el acero es aproximadamente tres veces más resistente. Por lo que en esta comparación su resistencia específica es casi igual. Sin embargo, en aplicaciones de ingeniería rara vez se utiliza aluminio puro. Es demasiado blando y débil. Las principales ventajas del aluminio puro son su terminado brillante, su elevada resistencia a la corrosión y su conductividad. Su uso principal es en aplicaciones de tipo decorativo. ALEACIONES DE ALUMINIO • Poseen resistencias muy superiores al aluminio puro. De uso fundamental en la industria aeronaval y automovilística. • Las aleaciones de aluminio de resistencia superior tienen resistencias a la tensión en el rango de los 480 a 620 MPa y resistencias o límites elásticos de casi el doble del acero dulce. En su resistencia específica pueden compararse favorablemente con aceros al medio carbono. En algunas aplicaciones el aluminio compite con éxito con el acero, aunque donde se requiera alta resistencia pocos materiales le ganan al acero. • El aluminio es de los materiales de ingeniería de maquinabilidad más sencilla, aunque al ser trabajado tiene tendencia a endurecerse. Se vacía, máquina, suelda y conforma en caliente y en frío de manera sencilla. También puede ser extruido. Las aleaciones se formulan especialmente para fundición tanto en arena como en troquel, así como para formas, forjadas, extruidas y comprimidas.

TITANIO •Tiene un límite superior de temperatura de servicio de 650 a 750ºC, pesa la mitad del acero (4429 kg/m3) y es tan resistente como un acero de resistencia media (930 MPa). Su módulo de Young es de 110 a 124 GPa, alrededor de 60% del correspondiente al acero. Su resistencia específica se acerca a la de los aceros de aleación más resistentes, y excede en un factor de 2 a la de los aceros de resistencia media. Su rigidez específica es superior a la del acero, lo cual lo hace bueno y hasta mejor para limitación de deflexiones. Es no magnético. • Muy resistente a la corrosión y no-tóxico, lo que permite su uso en o con alimentos y productos químicos ácidos y alcalinos, y en el interior del cuerpo humano como reemplazos en válvulas cardiacas y articulaciones de la cadera, por ejemplo. Pero es costoso en comparación con el aluminio y el acero. Se utiliza mucho en la industria aerospacial, sobre todo en la estructura de aeronaves espaciales y motores a reacción, donde se requiere resistencia y poco peso, así como elevada resistencia a la temperatura y a la corrosión. • Disponible en estado puro y en aleación con combinaciones de aluminio, vanadio, silicio, hierro, cromo y manganeso. Es posible endurecer y anodizar sus

aleaciones. Catálogo muy limitado de formas comerciales. Puede ser forjado, aunque es bastante difícil de fundir, maquinar y formar en frío igual que el acero y a diferencia con la mayor parte de los demás metales, algunas aleaciones de titanio exhiben un límite de resistencia a la fatiga verdadero, es decir, una nivelación de la resistencia a la fatiga más allá de 106 ciclos de carga repetida. MAGNESIO • Es el metal comercial más ligero, pero es relativamente débil. La resistencia a la tracción de sus aleaciones está entre 69 y 345 MPa. Los elementos de aleación más comunes son el Al, el Mn y el Zn. Debido a su baja densidad (1800 kg/m3), su resistencia específica se acerca a la del aluminio. Su módulo de Young es de 45 GPa y su rigidez específica excede tanto la del aluminio como la del acero. Es muy fácil de fundir y maquinar, pero es más frágil que el aluminio y, por lo tanto, es difícil de formar en frío. • Es no magnético. Presenta resistencia razonable a la corrosión, mejor que la del acero, pero no tan buena como la del Aluminio (Al). Algunas aleaciones de magnesio son endurecibles, y todas ellas suelen ser anodizables. Es el metal más activo de la escala galvánica, y en un entorno húmedo no puede combinarse con la mayor parte de los demás metales. También es inflamable en extremo, sobre todo en forma de polvo o virutas, y su llama no se extingue con agua. Para impedir el fuego, su maquinado requiere la inundación con un refrigerante a base de aceite. Es casi dos veces más costoso que el Al. El Mg se emplea donde el poco peso sea de importancia fundamental, como en fundiciones para carcasas de sierras portátiles, así como en otros elementos manuales. COBRE, LATONES Y BRONCES • El cobre puro es blando, débil y maleable; se emplea principalmente en tuberías, protección a la intemperie, conductores eléctricos (alambres) y en motores. Se trabaja en frío con facilidad y después de conformado se hace frágil, requiriendo recocido entre sucesivos estirados.

• Son posibles muchas aleaciones con el cobre. Las más comunes son los latones y los bronces, que por sí mismos son familias de aleaciones. Los latones, en general, son aleaciones de cobre y zinc en varias proporciones y se emplean en muchas aplicaciones, desde casquillos de artillería y balas, hasta lámparas y joyería. • Los bronces originalmente fueron definidos como aleaciones de cobre y estaño, pero también ahora incluyen aleaciones que no contienen estaño, como el bronce al silicio, el bronce al aluminio por lo que su terminología es algo confusa. El bronce al silicio sirve para aplicaciones marinas, como las hélices de los barcos. ALEACIONES DE COBRE • El cobre al berilio no es bronce ni latón; es la más resistente de las aleaciones, con resistencias que se acercan a la de los aceros aleados (1380 MPa). Se suele utilizar en aquellos resortes que no deban ser magnéticos, que deban transportar electricidad o que tengan que estar en entornos corrosivos. El bronce fosforado también sirve para resortes; a diferencia del bronce al berilio, no puede ser torcido a lo largo del grano o sujeto a tratamiento térmico. • El cobre y sus aleaciones tienen excelente resistencia a la corrosión y no son magnéticos. Todas las aleaciones de cobre son fundibles y se pueden formar en caliente o en frío, así como maquinar. Pero el cobre puro es difícil de maquinar. Algunas aleaciones son tratables térmicamente y todas ellas se endurecerán por trabajo en frio. El módulo de Young de la mayor parte de las aleaciones de cobre es de alrededor de 117 GPa y su densidad es ligeramente superior a la del acero (8580 kg/m3). En comparación con otros metales estructurales, las aleaciones de cobre son costosas. ALEACIONES DE NIQUEL (MONEL) • Monel es una marca registrada de Inco Corporation. Es resistente a la oxidación y al ataque químico. Estuvo de moda entre 1900 y 1950. • Composición: •66.6% Ní, 1.25% Fe, 31.5% Cu, 0.15% C, Si 0.5%.

• Resistente al agua de mar, ácidos sulfúrico, hidroclorhídrico, hidrofluorhídrico y orgánicos. • Alta resistencia a la temperatura: resiste hasta más de 1 500 ºC. ¿ES MEJOR EL MONEL QUE EL ACERO INOXIDABLE? Sí para la mayoría de las aplicaciones. El Monel es más caro pero, en teoría, no se corroerá ni presenta reacciones galvánicas como puede hacerlo el acero. 2.2 MATERIALERS NO METÀLICOS

• Hay tres categorías de no metales de interés general para la ingeniería: polímeros (plásticos), cerámicos y compuestos. • Los polímeros tienen una amplia variedad de propiedades, sobre todo un peso reducido, una resistencia y rigidez relativamente bajas, una buena resistencia a la corrosión dieléctrica y un costo bajo por unidad de volumen. • Los materiales cerámicos llegan a tener una resistencia a la compresión bastante alta (pero no a la tracción), alta rigidez (fragilidad), alta resistencia a la temperatura, alta resistencia dieléctrica (resistencia a la corriente eléctrica) y elevada dureza, así como un costo relativamente bajo por unidad de volumen. • Los materiales compuestos pueden tener prácticamente cualquier combinación de propiedades que usted desee incorporar, incluyendo las resistencias específicas más elevadas que puedan obtenerse de cualquier otro material. Los compuestos pueden ser de costo muy bajo o muy alto. 2.2.1 POLÍMEROS • Los polímeros son moléculas de cadena larga, de materiales orgánicos o de compuestos basados en carbono. La fuente es el petróleo o el carbón, que contienen el carbono o los hidrocarburos necesarios para la creación de los polímeros. Existen muchos materiales poliméricos naturales (cera, hule, proteínas,...), pero los polímeros para aplicaciones de ingeniería son, en su mayoría, artificiales.

• Sus propiedades se pueden adecuar en grado amplio mediante copolimerización con otros compuestos, o a través de combinaciones de dos o más polímeros juntos. También son comunes las mezclas de polímeros con materiales inorgánicos, como el talco o la fibra de vidrio. • En comparación con los metales tienen baja densidad, baja resistencia, baja rigidez, curvas esfuerzo-deformación elástica no lineal (con unas cuantas excepciones), baja dureza y una excelente resistencia eléctrica y a la corrosión; además, son fáciles de fabricar. Su módulo de elasticidad aparente varía ampliamente, desde 69 MPa hasta unos 2,8 GPa todos ellos son mucho menos rígidos que cualquier metal. Su límite de resistencia a la tensión van desde alrededor de 28 MPa para el polímero más débil no reforzado, hasta unos 152 MPa para polímeros más resistentes reforzados con vidrio. El peso específico de la mayor parte de los polímeros van desde 0,95 a 1,8, en comparación con alrededor de 2 para el magnesio, 3 para el aluminio, 8 para el acero y 13 para el plomo. Aunque las resistencias absolutas de los polímeros son reducidas, sus resistencias específicas son de considerables, dadas sus bajas densidades.

Los polímeros se dividen en dos clases: termoplásticos y termoestables. •Los polímeros termoplásticos se pueden fundir y solidificar repetidamente, aunque las altas temperaturas de fusión llegan a menguar sus propiedades.

Los termoplásticos son fáciles de modelar, y su merma o excedente se puede volver a moler y remoldear. • Las cadenas de los polímeros termoestables se entrecruzan la primera vez que se calientan y al recalentarse se quemarán, pero no se fundirán. Este entrecruzamiento crea conexiones (como los barrotes de una escalera) entre largas cadenas de moléculas giran y se retuercen a través de un polímero. •Estos entrecruzamientos añaden resistencia y rigidez. • Otra división entre polímeros se puede definir entre los compuestos reforzados y no reforzados. Los materiales de refuerzo son por lo general materiales inorgánicos, como negro de humo, grafito, talco, fibras cortas de vidrio y polvos metálicos. Los refuerzos se agregan tanto a resinas termoplásticas como a las termoestables, aunque se utilizan con mayor frecuencia con estas últimas. •Estos compuestos reforzados tienen una resistencia a la rigidez y una resistencia a la temperatura superior a la de los polímeros sin reforzar, aunque son más difíciles de moldear y fabricar. 2.2.2 MATERIALES CERÁMICOS •Los materiales cerámicos de ingeniería suelen ser compuestos de elementos metálicos y no metálicos. Pueden ser únicamente un óxido de un metal, mezclas de óxidos metálicos, carburos, boruros, nitruros y otros compuestos como el Al203, el MgO, el SiC y el Si3N4. •Las propiedades principales de los materiales cerámicos son elevada dureza y fragilidad, alta resistencia a la temperatura y a productos químicos, elevada resistencia a la compresión y superior resistencia dieléctrica, así como costo y peso reducidos. •Los materiales cerámicos son demasiado duros para maquinar mediante técnicas convencionales, y por lo general son formados por compactación de polvos y después quemados o sinterizados para formar enlaces entre partículas, lo que incrementa su resistencia. La compactación de polvos se efectúa con troquel o mediante presión hidrostática. Algunas veces se mezcla polvo de vidrio con el

material cerámico y el resultado se quema, con lo que se funde el vidrio y se incorporan ambos. •En aplicaciones como bloques fundidos para motor, pistones y otras piezas de motor, se han hecho intentos para reemplazar los metales tradicionales por productos cerámicos. A menudo se utilizan compuestos cerámicos rociados por plasma como recubrimiento duro sobre sustratos metálicos, a fin de obtener superficies resistentes al desgaste y a la corrosión. 2.2.3 MATERIALES COMPUESTOS • Los compuestos artificiales suelen ser una combinación de algún material resistente y fibroso, como el vidrio, el grafito, las fibras de boro o de carbono en una matriz de resina, como un epoxi o un poliéster. Ejemplo: la fibra de vidrio es un compuesto de poliéster reforzado con fibra de vidrio (GFRP). • Las propiedades direccionales del material compuesto se pueden adecuar a cada

aplicación

mediante

la

organización

de

las

fibras

en

distintas

yuxtaposiciones, paralelas, entrelazadas de manera aleatoria o en ángulos específicos, o enrolladas alrededor de un mandril. • Los compuestos especiales cada vez tienen mayor uso en aplicaciones de alto esfuerzo, como estructuras de aeronaves, dadas sus elevadas razones resistencia/peso en comparación con metales estructurales más comunes. •Además, en ciertos materiales compuestos es posible diseñar cierta resistencia a la temperatura y a la corrosión. •Estos compuestos no son homogéneos ni isótropos.