clasificación de los materiales para manufactura

8/18/2019 Clasificación de Los Materiales Para Manufactura

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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES PARA MANUFACTURA

La mayoría de los materiales de ingeniería pueden clasifcarse en: metales y nometales dentro de la categoría de los no metálicos se tiene a: los cerámicos ypolímeros; entre los metales los cerámicos y los polímetros se orma un grupode tres materiales básicos utilizados en la manuactura. Tanto sus

características químicas como sus propiedades ísicas y mecánicas sondierentes; estas dierencias aectan los procesos de manuactura. Además deestas tres categorías básicas existe otra: los materiales compuestos los cualesson mezclas no !omog"neas de los otros tres tipos básicos de materiales. Lacosifcaci#n de materiales y la relaci#n de los grupos de se muestra en la fgura$.%.

METALES

Los metales usados en la manuactura son com&nmente aleaciones las cualesestán compuestas de dos o más elementos en donde por lo menos uno esmetálico. Los metales pueden di'idirse en dos grupos: $( errosos y )( no

errosos.

Metales ferrosos.- Los metales errosos se basan en el !ierro; el grupoincluye acero y !ierro colado; "stos constituyen el grupo de materialescomerciales más importantes y comprende más de las tres cuartas partes deltonela*e de metal que se utiliza en todo el mundo. +l !ierro puro tiene poco usocomercial; pero aleado con el carb#n tiene más usos y mayor 'alor comercialque cualquier otro metal.

Las aleaciones de !ierro y carb#n pueden ormar acero y !ierro colado.

Los aceros de ba*a aleaci#n son aleaciones !ierro,carbono que contienen

elementos aleantes adicionales en cantidades que totalizan menos del - enpeso aproximadamente. /ebido a estas adiciones los aceros de ba*a aleaci#ntienen propiedades mecánicas que son superiores a los aceros al carbono paralas aplicaciones dadas. Las propiedades superiores signifcan usualmentemayor resistencia dureza dureza en caliente resistencia al desgastetenacidad y combinaciones más deseables de estas propiedades. 0onrecuencia se requiere el tratamiento t"rmico para lograr el me*oramiento deestas propiedades.


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Los elementos comunes que se a1aden a la aleaci#n son el cromo elmanganeso el molibdeno el níquel y el 'anadio algunas 'eces en ormaindi'idual pero generalmente en combinaci#n. +stos elementos ormansoluciones s#lidas con el !ierro y compuestos metálicos con el carbono2carburos(.

3uponiendo que exista la cantidad sufciente de carbono para reaccionar.4odemos resumir los eectos de los principales elementos como sigue:

· Cromo (Cr). 5e*ora la resistencia dureza resistencia al desgaste y durezaen caliente. +s uno de los más eecti'os elementos de aleaci#n paraincrementar la templabilidad. +l cromo me*ora signifcati'amente laspropiedades de resistencia a la corrosi#n.

· Ma!aeso (M). 5e*ora la resistencia y dureza del acero. 0uando el acerose trata t"rmicamente el incremento de manganeso me*ora la templabilidad./ebido a esto el manganeso se usa ampliamente como elemento de aleaci#nen el acero.

· Mol"#$eo (Mo). Aumenta la tenacidad la dureza en caliente y laresistencia a la termoin6uencia.

Tambi"n me*ora la templabilidad y orma carburos para resistencia al desgaste.

· N%&'el (N"). 5e*ora la resistencia y tenacidad. 7ncrementa la templabilidadpero no tanto como los otros elementos de aleaci#n en el acero. +n cantidadessignifcati'as me*ora la resistencia a la corrosi#n y es otro de los elementosmayoritarios 2además del cromo( en ciertos tipos de acero inoxidable.

· aa$"o (). 7n!ibe el crecimiento de los granos durante el procesamiento atemperaturas ele'adas y durante el tratamiento t"rmico lo cual me*ora laresistencia y tenacidad del acero. Tambi"n orma carburos que incrementan laresistencia al desgaste.

Las especifcaciones A737,3A+ de muc!os de los aceros de ba*a aleaci#n sepresentan en la tabla $.- que indica los análisis químicos nominales. +lcontenido de carbono se especifca por 88 en porcenta*e de carb#n.

El hierro colado.- es una aleaci#n de !ierro y carb#n 2) a 9( que se utiliza en

undici#n 2principalmente undici#n en arena(. +n esta mezcla tambi"n seencuentra presente el silicio 2en cantidades desde .- a %( y recuentementese agregan otros elementos para obtener propiedades deseables en elproducto fnal. +l !ierro colado se encuentra disponible en dierentes ormasde las cuales se describen a continuaci#n


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Fundición gris.- La undici#n gris representa el mayor tonela*e entre lasundiciones de !ierro. Tiene una composici#n que 'aría entre ).- y 9 decarbono y $ a % de silicio. Las reacciones químicas internas deri'an en laormaci#n de !o*uelas de grafto 2carbono( distribuidas a todo lo largo delproducto undido en la solidifcaci#n. +sta estructura es la causa de que lasuperfcie del metal tenga un color gris cuando se ractura; de aquí el nombrede undici#n gris. La dispersi#n de las !o*uelas de grafto representa dospropiedades atracti'as: $( buena amortiguaci#n a la 'ibraci#n que es unacaracterística deseable en motores y otras máquinas; y )( cualidades delubricaci#n internas que !acen maquinable la undici#n.

Fundición nodular (dúctil).- +s un !ierro con la composici#n del !ierro gris en lacual el metal undido se trata químicamente antes de 'aciarlo para pro'ocar laormaci#n de n#dulos de grafto en lugar de !o*uelas. +l resultado es un !ierromás uerte y más d&ctil de aquí el nombre de undici#n d&ctil. 3us aplicacionesincluyen componentes de maquinaria que requieren alta resistencia mecánicay buena resistencia al desgaste. 3us características se muestran en la TALA$.


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Fundición blanca.- 4osee menor contenido de carbono y silicio que la undici#ngris. 3e orma mediante un enriamiento más rápido del metal undido despu"sde !aberlo 'aciado esto causa que el carbono permanezca combinadoquímicamente con el !ierro en orma de cementita 2carburo de !ierro( en lugarde precipitar la soluci#n en orma de !o*uelas. 0uando la superfcie se racturatiene una apariencia blanca cristalina que da su nombre a la undici#n. /ebidoa la cementita la undici#n blanca es dura y rágil y su resistencia al desgastees excelente. 3u resistencia mecánica se muestra en la TALA $.


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a la corrosi#n y relaciones resistencia peso que los !acen competiti'os con losaceros en aplicaciones para esuerzos moderados y altos.

Además muc!os de ellos tienen otras propiedades distintas a las mecánicasque los !acen ideales para aplicaciones en las que el acero podría serinadecuado. 4or e*emplo el cobre tiene una de las menores resisti'idades

el"ctricas entre los metales y es ampliamente usado para conductoresel"ctricos.

+l aluminio es un excelente conductor t"rmico y sus aplicaciones incluyenintercambiadores de calor y utensilios de cocina. Tambi"n es uno de losmetales más áciles de ormar por esa raz#n es muy apreciado. +l zinc tieneun punto de usi#n relati'amente ba*o por lo cual se utiliza ampliamente enoperaciones de undici#n en dados. Los metales no errosos comunes tienen supropia combinaci#n de propiedades que los !acen &tiles para una 'ariedad deaplicaciones. 3eguidamente analizarnos los metales no errosos másimportantes tanto comercial como tecnol#gicamente.

El Al'm""o (Al).- tiene una alta conducti'idad el"ctrica y t"rmica y suresistencia a la corrosi#n es excelente debido a la ormaci#n de una películasuperfcial dura y delgada de #xido. +s un metal muy d&ctil y notable por suacilidad de ormado. +l aluminio puro tiene una resistencia relati'amenteba*a pero puede alearse y tratarse t"rmicamente para competir con algunosde los aceros especialmente cuando el peso es una consideraci#n deimportancia.

+l sistema de especifcaciones para el aluminio es un n&mero de c#digo decuatro dígitos. +l sistema tiene dos partes una para aluminios or*ados y la otra

para undiciones de aluminio. La dierencia es que se usa un punto decimaldespu"s del tercer dígito para undiciones de aluminio. Las designaciones sepresentan en la TALA $.=.


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+l magnesio como metal puro es relati'amente sua'e y carece de la sufcienteresistencia para la mayoría de las aplicaciones en ingeniería.

3in embargo se puede alear y tratar t"rmicamente para logra resistenciascomparables a las aleaciones de aluminio. +n particular su raz#n resistencia,peso es muy 'enta*osa para componentes de a'iaci#n y proyectiles.

+l esquema de especifcaciones para aleaciones de magnesio usa un c#digo detres a cinco caracteres alanum"ricos. Los dos primeros son letras queidentifcan a los principales elementos de la aleaci#n en el c#digo se puedenespecifcar !asta dos elementos en orden decreciente de porcenta*es o enorden alab"tico a porcenta*es iguales. +stas letras cla'e se enlistan en la tabla$.@ y 'an seguidas por un n&mero de dos dígitos que indica respecti'amentelas cantidades de los dos elementos al porcenta*e más cercano. inalmente el&ltimo símbolo es una letra que indica algunas 'ariaciones en la composici#n osimplemente el orden cronol#gico en que ue normalizada para uso comercial.Las aleaciones de magnesio tambi"n requieren especifcaci#n de un temple

para las aleaciones de magnesio se usa el mismo esquema básico que sepresenta para el aluminio.

+n la tabla $.$ se presentan algunos e*emplos de aleaciones de magnesio queilustran el esquema de especifcaciones e indican la resistencia a la tensi#n yductilidad de estas aleaciones y sus aplicaciones.

El o#re (C').- es uno de los metales mas conocidos por los seres !umanosdesde la antigBedad.


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+l cobre puro tiene un color rosado ro*izo característico pero su propiedad másdistinti'a en ingeniería es su ba*a resisti'idad el"ctrica una de las más ba*asde todos los elementos. /ebido a "sta propiedad y a su abundancia relati'a enla naturaleza el cobre comercialmente puro es ampliamente usado comoconductor el"ctrico 2es preciso se1alar que la conducti'idad del cobredisminuye signifcati'amente cuando se a1aden elementos de aleaci#n(. +lcobre es tambi"n un excelente conductor t"rmico. +l cobre es uno de losmetales nobles 2como el oro y la plata( de suerte que es resistente a lacorrosi#n. Todas estas propiedades se combinan para !acer del cobre uno delos metales más importantes.

4or otra parte la resistencia y dureza del cobre son relati'amente ba*asespecialmente cuando se toma en cuenta el peso. +n consecuencia parame*orar su resistencia 2y por otras razones( el cobre se alea recuentemente.+l bronce es una aleaci#n de cobre y esta1o 2alrededor de @ 0u y $ 3n( apesar de su antigBedad ancestral a&n se utiliza ampliamente en la actualidad.3e !an desarrollado aleaciones adicionales de bronce basadas en otros

elementos uera del esta1o; "stas incluyen bronces de aluminio y silicio. +llat#n es otra aleaci#n amiliar de cobre compuesta de cobre y zinc 2alrededorde


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El %&'el (N").- es un elemento similar al !ierro en muc!os aspectos; +smagn"tico y su m#dulo de elasticidad es prácticamente el mismo que el !ierroy el acero. /ifere del !ierro en que es muc!o más resistente a la corrosi#n ylas propiedades de sus aleaciones a altas temperaturas son generalmentesuperiores. /ebido a sus características de resistencia a la corrosi#n se usaampliamente como $( un elemento de aleaci#n en acero tal como el acero

inoxidable y )( como un metal de c!apeado sobre otros metales como el aceroal carbono. Las aleaciones de níquel son comercialmente importantes por sí mismas y notables por su resistencia a la corrosi#n y su desempe1o a altastemperaturas. La composici#n la resistencia a la tensi#n y la ductilidad yaplicaciones de algunas aleaciones de níquel se dan en la tabla $.$).


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El t"ta"o (T").- es medianamente abundante en la naturaleza constituye

cerca del $ de la corteza terrestre 2el aluminio es el más abundante yconstituye el ?(. La densidad del titanio está entre la del aluminio y la del!ierro; 3u importancia !a crecido en las d"cadas recientes debido a susaplicaciones aerospaciales en las cuales se explota su peso ligero y su buenaraz#n resistencia,peso. +l coefciente de expansi#n t"rmica del titanio esrelati'amente ba*o comparado con otros metales. +s más rígido y uerte encomparaci#n con el aluminio y tiene buena resistencia a temperaturasele'adas. +l titanio puro es reacti'o lo cual presenta problemas para suprocesamiento especialmente en estado undido. 3in embargo a temperaturaambiente orma un delgado recubrimiento ad!erente de #xido 2Ti)( quesuministra excelente resistencia a la corrosi#n.

+stas propiedades dan lugar a dos áreas principales de aplicaci#n del titanio: $(en estado comercialmente puro el titanio se usa para componentes resistentesa la corrosi#n tales como componentes marinos implantes y pr#tesis; y )( lasaleaciones del titanio se usan como componentes con alta resistencia en unrango de temperaturas desde la ambiente !asta -- F0 especialmente dondese apro'ec!a su excelente relaci#n resistencia,peso. +stas &ltimas aplicacionesincluyen componentes de a'iones y de proyectiles. Algunos de los elementosde aleaci#n usados con el titanio incluyen al aluminio el manganeso el esta1o


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y el 'anadio. +n la tabla $.$% se presentan algunas composiciones ypropiedades mecánicas de algunas de sus aleaciones.

El *" (+).- 3u ba*o punto de usi#n lo !ace atracti'o como un metal deundici#n. Tambi"n suministra protecci#n contra la corrosi#n cuando se aplicacomo recubrimiento sobre el acero o !ierro; el t"rmino acero gal'anizado se

refere al acero que !a sido recubierto con zinc. Las aleaciones de zinc se usanampliamente en la undici#n de dados para producciones masi'as decomponentes destinados a la industria automotriz y de accesorios. >traaplicaci#n importante del zinc se encuentra en la gal'anizaci#n del acero.0omo su nombre lo indica se crea una celda gal'ánica en el acero gal'anizado2Cn es el ánodo y el acero es el cátodo( la cual protege al acero de los ataquesde la corrosi#n. inalmente un tercer uso importante del zinc se encuentra enel lat#n. 0omo se se1al# antes esta aleaci#n consiste en dos metales cobre yzinc en la relaci#n aproximada de dos terceras partes de 0u y una tercera partede Cn. +sta aleaci#n ue descrita ya en nuestro análisis del cobre. +n la tabla$.$9 se enlistan 'arias aleaciones de zinc y sus datos relati'os a la

composici#n resistencia a la tensi#n y aplicaciones.

CER,MICOS

Dn material cerámico se defne com&nmente como un compuesto que contieneelementos metálicos 2o semimetálicos( y no metálicos. Los elementos nometálicos típicos son el oxígeno el nitr#geno y el carb#n. Algunas 'eces seincluye en la amilia de los materiales cerámicos al diamante el cual no sea*usta a la defnici#n anterior.

Los materiales cerámicos abarcan una gran 'ariedad de materiales

tradicionales y modernos. +ntre los materiales tradicionales que se !an usadopor miles de a1os se encuentran: el barro cuya disponibilidad en la naturalezaes abundante y está compuesto por fnas partículas de silicatos !idratados dealuminio y otros minerales el cual se usa para !acer ladrillos te*as y alarería;la sílice 23i>)( base de casi todos los productos de 'idrio; la al&mina 2AL>%( yel carburo de silicio dos materiales abrasi'os usados en procesos deesmerilado.


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Los materiales cerámicos modernos incluyen algunos de estos materialescomo la al&mina cuyas propiedades se me*oran de 'arias ormas mediantem"todos modernos de proceso. Los materiales cerámicos más nue'os incluyencarburos de metales como el carburo de tungsteno y el carburo de titanio queson empleados ampliamente en la abricaci#n de buriles y los nitrurosmetálicos y semimetálicos como el nitruro de titanio y el nitruro de boro que seusan como !erramientas de corte y abrasi'os.

Los materiales cerámicos pueden di'idirse para prop#sitos de proceso en: $(cerámicos cristalinos y )( 'idrios. 3e requieren dierentes m"todos demanuactura para los dos tipos. Los materiales cerámicos cristalinos sonormados de di'ersas maneras a partir de pol'os y luego se sinterizan 2secalientan a una temperatura por deba*o del punto de usi#n para aglutinar yendurecer los pol'os(. Los materiales 'ítreos 2'idrio( pueden derretirse'aciarse y luego ormarse mediante procesos como el tradicional soplado de'idrio.

POLMEROS

Dn polímero es un compuesto ormado por repetidas unidades estructuralesllamadas meros cuyos átomos comparten electrones para ormar mol"culasmuy grandes. Los polímeros están constituidos generalmente por carb#n yotros elementos como !idr#geno nitr#geno oxígeno y cloro. Los polímeros sedi'iden en tres categorías: 4olímeros termoplásticos 4olímeros termof*os y+last#meros

Pol%meros termol/st"os.- Los termoplásticos pueden someterse am&ltiples ciclos de calentamiento y enriamiento sin alterar sustancialmente la

estructura molecular del polímero. Los termoplásticos típicos a temperaturaambiente poseen las siguientes características: $( menor rigidez el m#dulo deelasticidad es de dos a tres 'eces más ba*o que los metales y los cerámicos; )(la resistencia a la tensi#n es más ba*a cerca del $ con respecto a la de losmetales; %( dureza muy ba*a; y 9( ductilidad más alta en promedio con untremendo rango de 'alores desde una elongaci#n del $ para el poliestireno!asta el - o más para el propileno. +n cuanto a sus propiedades ísicas lospolímeros termoplásticos poseen: $( densidades más ba*as que los metales ylos materiales cerámicos las gra'edades específcas típicas para los polímerosson alrededor de $.) para los cerámicos alrededor de ).- y para los metalesalrededor de =. )( coefcientes de expansi#n t"rmica muc!o más altos

aproximadamente cinco 'eces el 'alor de los metales y $ 'eces el de loscerámicos; %( temperaturas de usi#n muy ba*as; 9( conducti'idades t"rmicasque son alrededor de tres #rdenes de magnitud más ba*os que los de losmetales y -( propiedades de aislamiento el"ctrico.

Los productos termoplásticos incluyen artículos moldeados y extruidos fbraspelículas y láminas materiales de empaque pinturas y barnices. 3e adquierenormalmente en orma de pol'os o pellets 2grano grueso(. Los polímeros T4


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más importantes se analizarán seg&n la norma A3T5 por orden alab"tico en latabla $.$-.


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Pol%meros termo01os., +stas mol"culas se transorman químicamente 2securan( en una estructura rígida cuando se enrían despu"s de una condici#nplástica por calentamiento de aquí el nombre de termof*o. /ebido a lasdierencias en la composici#n química y estructura molecular las propiedadesde los plásticos termof*os son dierentes de los termoplásticos. +n general lostermof*os son $( más rígidos con m#dulos de elasticidad dos o tres 'eces másgrandes; )( rágiles prácticamente no poseen ductilidad; %( menos solubles enlos sol'entes comunes; 9( capaces de uncionar a temperaturas más altas; y -(no pueden ser reundidos en lugar de esto se degradan o se queman. Lospolímeros termof*os más importantes se analizarán por orden alab"tico en latabla $.$


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Elast2meros.- +stos polímeros ex!iben un comportamiento elásticoimportante de aquí el nombre de elast#mero. Los elast#meros son polímeroscapaces de surir grandes deormaciones elásticas cuando se les su*eta aesuerzos relati'amente ba*os Algunos elast#meros pueden soportardeormaciones de !asta el - o más pero retornan a su orma original. +le*emplo más popular de un elast#mero es desde luego el !ule. 4odemos di'idira los !ules en dos categorías: $( !ule natural deri'ado de ciertas plantas y )(polímeros sint"ticos producidos por procesos de polimerizaci#n similares a losque se utilizan para los termoplásticos y los termof*os. Los elast#meros másimportantes se analizarán por orden alab"tico en la tabla $.$=.


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COMPUESTOS

Los materiales compuestos no constituyen realmente una categoría separada

de los materiales; sino que constituyen una mezcla de los otros tres tipos demateriales. Dn material compuesto se logra com&nmente con dos ases en lasque se procesan separadamente los materiales y luego se unen para lograrpropiedades superiores a los de sus constituyentes. La estructura usual de unmaterial compuesto está ormada por partículas o fbras de una ase mezcladascon una segunda ase llamada matriz.

Los materiales compuestos se encuentran en la naturaleza 2madera pore*emplo( y pueden tambi"n producirse sint"ticamente. +stos &ltimos son losque nos interesan; comprenden fbras de 'idrio en matriz de polímero como losplásticos reorzados con fbras; fbras de polímero de una clase en matriz de un

segundo tipo de polímero como los compuestos epoxy,Ge'lar; y materialescerámicos en matriz metálica como carburo de tungsteno en una cubierta decobalto para ormar un buril de carburo cementado.

Las propiedades de los materiales compuestos dependen de sus componentesde la orma ísica de dic!os componentes y de la manera en que se combinanpara ormar el material fnal. Algunos materiales compuestos combinan altaresistencia con peso ligero y son apropiados para utilizarse como componentesde a'iones carrocerías de autom#'iles cascos de botes raquetas de tenis yca1as de pesca; otros son uertes duros y capaces de mantener estaspropiedades a temperaturas ele'adas como por e*emplo los buriles de carburocementado.

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