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• Ricardo Rodriguez

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I CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS 1.1 INTRODUCCION Los materiales de uso cotidiano en Ingeniería se pueden clasificar en dos grandes grupos, que son los materiales metálicos y los no metálicos. En la figura 1.1 se muestra un esquema en la forma en la que se pueden clasificar los materiales.

Figura 1.1 Clasificación de los materiales

Los acero son aleaciones ferrosas con un máximo de 1,7% de carbono y que son forjables. Los aceros dependiendo de su contenido de carbono y de otros elementos de aleación se clasifican en: - Aceros simples - Aceros aleados - Aceros alta aleación 1.2. ACEROS SIMPLES Son aleación hierro con carbono con un contenido de éste último en el rango de 0.02 hasta el 2% con pequeñas cantidades de otros elementos que se consideran como impurezas tales como P, S, Mn, Cu, Si, etc. Los aceros simples se clasifican de acuerdo a su contenido de carbono en: - Aceros de bajo carbono 1

- Aceros de medio carbono y - Aceros de alto carbono 1.2.1Aceros de bajo carbono Aceros al bajo carbono, con menos de 0.20% de carbono, son por mucho los aceros más ampliamente usados. Sus aplicaciones típicas son partes de lámina metálica para automóviles, plancha de acero para la fabricación y rieles de ferrocarril. Estos aceros son relativamente fáciles de formar, de ahí su popularidad donde no se requiere una alta resistencia. Las fundiciones de acero caen usualmente dentro de esta categoría de bajo carbono. 1.2.2 Aceros de medio carbono Los aceros al medio carbono fluctúan en contenido de carbono entre el 0.2 y 0.50% y se especifican para aplicaciones que requieren resistencias mayores que las de los aceros al bajo carbono. Sus aplicaciones incluyen componentes de maquinaria y partes de motores, como cigüeñales y acoplamientos. 1.2.3 Aceros de alto carbono Los aceros al alto carbono en cantidades mayores al 0.50%. Se especifican aun para aplicaciones de alta resistencia y donde se necesita rigidez y dureza. Algunos ejemplos son los resortes, las herramientas de corte y las cuchillas, así como las partes resistentes al desgaste. A medida que se incrementa el contenido de carbono, aumenta también la resistencia y la dureza del acero, pero su ductilidad se reduce. Por otra parte, los aceros al alto carbono pueden tratarse térmicamente para formar martensita lo cual le da al acero mayor dureza y resistencia 1.3 ACEROS ALEADOS Los aceros aleados son aceros simples a los que se les agrega de manera intencional ciertos elementos de aleación, entre los que se pueden mencionar a los siguientes: cromo, molibdeno, níquel, tungsteno, vanadio, silicio, manganeso, etcétera debiendo ser la suma de todos los elementos antes mencionados menor o igual al 5 %. Debido a estas adiciones, los aceros de baja aleación tienen propiedades mecánicas que son superiores a los aceros al carbono para las aplicaciones dadas. Las propiedades superiores significan usualmente mayor resistencia, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste, tenacidad y combinaciones más deseables de estas propiedades.

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Para designar a los aceros simples y aleados se utiliza un sistema de identificación de 4 dígitos desarrollado por A1SI (American Iron and Steel Institute) y SAE (Society of Enginneers Automotive) y que en México fué adoptado por NOM (Norma Oficial Mexicana). El primer dígito indica cual es el principal de aleación ; el segundo dígito, la modificación del acero original y los dos últimos dígitos cual es el porcentaje de carbono en centésimas de punto porcentual. En la imagen 1.2 se muestra una tabla del sistema de identificación de 4 dígitos mencionado.

Figura 1.2 Designación AISI-SAE-NOM para aceros simples y aleados

1.4 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN Los aceros de alta aleación se clasifican en dos grandes grupos, a saber: - Aceros Inoxidables - Aceros para herramientas

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1.4.1 Aceros inoxidables Son básicamente aleaciones Fe-Cr ó Fe-Cr-Ni con un contenido de al menos 10 % de cromo y el menor contenido posible de carbono. Los aceros inoxidables son notables por su combinación de resistencia y ductilidad, además de su resistencia a la corrosión. Aunque dichas propiedades son muy deseables para dichas aplicaciones, generalmente hacen que estas aleaciones sean difíciles de trabajar en manufactura. También los aceros inoxidables son significativamente más caros que los aceros al carbono o de baja aleación. Los aceros inoxidables se dividen tradicionalmente en cinco grupos: Inoxidables austeníticos. Estos aceros tienen la composición típica de 18% Cr y 8% Ni y son los más resistentes a la corrosión de los tres grupos. Debido a esta composición se les identifica algunas veces como aceros 18-8. Son no magnéticos y muy dúctiles, pero muestran endurecimiento por trabajo en forma significativa. Los aceros inoxidables austeníticos se usan para fabricar equipos de procesos químicos y alimenticios, así como partes de maquinarias que requieren alta resistencia a la corrosión. Inoxidables ferríticos. Estos aceros tienen alrededor de 15 a 20% de cromo, bajo carbono y nada de níquel. Los aceros inoxidables ferríticos son magnéticos, menos dúctiles y con menor resistencia a la corrosión que los austeníticos. Las partes hechas con inoxidables ferríticos van desde utensilios de cocina hasta componentes de motores de propulsión a chorro. Inoxidables martensíticos. Estos aceros tienen un contenido más alto de carbono que los inoxidables y ferríticos, lo cual permite fortalecerlos mediante tratamiento térmico. Tienen hasta un 18% de cromo pero nada de níquel. Son fuertes y resistentes a la fatiga, pero no tan resistentes a la corrosión como los otros dos grupos. Los productos típicos incluyen cubertería e instrumentos quirúrgicos. Inoxidables endurecibles por precipitación. Una composición típica es 17% Cr y 7% Ni, con pequeñas cantidades adicionales de elementos de aleación como aluminio, cobre, titanio y molibdeno. La característica distintiva entre los inoxidables es que pueden ser fortalecidos con el proceso de endurecimiento por precipitación. La resistencia a la corrosión y al esfuerzo se mantiene a temperaturas elevadas, lo que hace que estas aleaciones sean adecuadas para aplicaciones aeroespaciales. Inoxidables dúplex. Estos aceros tienen una estructura mezclada de austenita y ferrita en cantidades aproximadamente iguales. Su resistencia a la corrosión es similar a la de los grados austeníticos y muestran una resistencia mejorada al agrietamiento por corrosión debido al esfuerzo. Sus aplicaciones incluyen intercambiadores de calor, bombas y plantas de tratamiento de aguas negras.

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La mayoría de los aceros inoxidables se designan por un esquema de numeración de tres dígitos AISI. El primer dígito indica el tipo general y los dos últimos dígitos dan el grado específico dentro del tipo. En la figura 1.3 se muestran los aceros inoxidables comunes con sus composiciones típicas y sus propiedades mecánicas

Figura 1.3 Tabla de características de los aceros inoxidables mas comunes

1.4.2 Aceros para herramientas Los aceros de herramienta son una clase de aceros de alta aleación diseñados para usarse como herramientas industriales de corte, dados y moldes. Para cumplir adecuadamente con su desempeño en estas aplicaciones deben poseer alta resistencia, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste y tenacidad al impacto. Estos aceros se tratan térmicamente para obtener estas propiedades. Los aceros de herramienta se dividen en diversos tipos de acuerdo con su aplicación y composición. La AISI utiliza un esquema de clasificación que incluye un prefijo alfabético para identificar el acero herramienta. T, M Aceros para herramienta de alta velocidad. Se usan como herramientas de corte en procesos de maquinado. Se formulan para alta resistencia al desgaste y dureza en caliente. Las dos designaciones AISI indican el elemento principal de aleación: T para el tungsteno y M para el molibdeno. H Aceros de herramienta para trabajo en caliente. Están diseñados para dados para trabajo en caliente, para forja, extrusión y fundición en dados.

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D Aceros de herramienta para trabajo en frío. Estos aceros para dados se usan para operaciones de trabajo en frío tales como: estampado de láminas metálicas, extrusión en frío y ciertas operaciones de forja. La especificación D representa dado. Las especificaciones AISI más estrechamente relacionadas son A y O, las cuales simbolizan a los procesos de templado por aire y por aceite. Todos ellos representan una buena resistencia al desgaste y baja distorsión. W Aceros de herramienta endurecibles con agua. Estos aceros tienen alto contenido de carbono con poco o ningún otro elemento de aleación. Sólo pueden ser endurecidos mediante un rápido enfriamiento en agua. Se usan ampliamente debido a su bajo costo, pero se limitan a aplicaciones a temperaturas bajas. Los dados o matrices para encabezamiento en frío son una aplicación típica. S Aceros de herramienta resistentes al choque. Estos aceros se proyectan para usarse en aplicaciones donde se requiere una alta tenacidad, como en muchas cizallas para corte de metal para operaciones de punzonado y doblado. P Aceros para molde. Como indica su nombre, estos aceros de herramienta son para moldeo de plásticos y hule. L Aceros de herramienta de baja aleación. Estos materiales se reservan generalmente para aplicaciones especiales. En la imagen 1.4 se muestra una lista de algunos aceros para herramientas y algunas características.

Figura 1.4 Tabla de características de los aceros para herramientas

Los aceros de herramienta no son los únicos materiales para herramientas; también se usan los aceros al carbono de baja aleación y los aceros inoxidables para aplicaciones en muchas herramientas y dados. Las fundiciones de hierro y ciertas aleaciones no ferrosas también se adecúan para aplicarse a herramientas. Además, se ha incrementado el uso de varios materiales cerámicos como insertos de corte de alta velocidad, abrasivos y otras herramientas.

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II FUNDICIONES DE HIERRO 2.1 INTRODUCCIÓN La fundición de hierro (conocida también como hierro colado) es una aleación que contiene de 2.11% hasta cerca del 4% de carbono y de 1 a 3% de silicio, composición que lo hace bastante adecuado como metal de fundición. 2.2 CLASIFICACIÓN DE LAS FUNDICIONES DE HIERRO 2.2.1 Fundición gris La fundición gris representa el mayor tonelaje entre las fundiciones de hierro. Tiene una composición que varía entre 2.5 y 4 % de carbono y 1 a 3% de silicio. Las reacciones químicas internas derivan en la formación de hojuelas de grafito (carbono) distribuidas a todo lo largo del producto fundido en la solidificación. Esta estructura es la causa de que la superficie del metal tenga un color gris cuando se fractura; de aquí el nombre de fundición gris. La American Society for Testing Materials (ASTM) utiliza un método de clasificación para la fundición gris, que pretende suministrar las especificaciones mínimas de la resistencia a la tensión para varias clases: la clase 20 de fundición gris tiene una TS de 20 000 lb/pulg2 ,la clase 30 tiene una TS de 30 000 lb/pulg2 y así sucesivamente hasta alrededor de 70 000 lb/pulg2 Los productos hechos con fundición gris incluyen monobloques y cabezas para motores de automóviles, cárteres y bases de máquinas herramientas. 2.2.2 Fundición nodular o dúctil Es un hierro con la composición del hierro gris, en la cual el metal fundido se trata químicamente antes de vaciarlo para provocar la formación de nódulos de grafito en lugar de hojuelas. El resultado es un hierro más fuerte y más dúctil, de aquí el nombre de fundición dúctil. Sus aplicaciones incluyen componentes de maquinaria que requieren alta resistencia mecánica y buena resistencia al desgaste. 2.2.3 Fundición blanca. Posee menor contenido de carbono y silicio que la fundición gris. Se forma mediante un enfriamiento más rápido del metal fundido después de haberlo vaciado, esto causa que el carbono permanezca combinado químicamente con el hierro en forma de cementita, en lugar de precipitar la solución en forma de hojuelas. Cuando la superficie se fractura tiene una apariencia blanca cristalina que da su nombre a la fundición debido a la cementita, la fundición blanca es dura y frágil, y su resistencia al desgaste es excelente.

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Su resistencia mecánica típica es buena con una TS de 40 000 lb/pulg, estas propiedades de la fundición blanca la hacen adaptable para aplicaciones donde se requiere resistencia al desgaste. Las zapatas para freno de ferrocarril son un ejemplo clásico. 2.2.4 Fundición maleable. Cuando las piezas de fundición blanca se tratan térmicamente para separar el carbono en solución y formar agregados de grafito, el metal resultante se llama fundición maleable. La nueva microestructura puede tener una ductilidad sustancial, que es una diferencia significativa con respecto al metal del cual procede. Los productos típicos hechos con fundición maleable incluyen accesorios para tubería y bridas, algunos componentes para máquinas y partes de equipo ferroviario. 2.2.5 Fundición de hierro aleado La fundición de hierro puede alearse para obtener propiedades y aplicaciones especiales. Esta fundición de hierro aleado se puede clasificar en los siguientes tipos: 1) Tratables térmicamente. Que pueden endurecerse con la formación de martensita. 2) Resistentes a la corrosión, Cuyos elementos aleantes son el níquel y el cromo, típicos de los aceros inoxidables. 3) Resistentes al calor. Que contienen una alta proporción de níquel para mejorar la dureza en caliente y la resistencia a la oxidación a altas temperaturas. En la imagen 2.1 se muestra una lista de algunas fundiciones de hierro y algunas de sus características.

Figura 2.1 Tabla de características de las fundiciones de hierro.

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III ALEACIONES NO FERROSAS 3.1 INTRODUCCIÓN Las aleaciones no ferrosas incluyen aleaciones que no se basan en el hierro. Los metales de ingeniería más importantes en el grupo de los no ferrosos son el aluminio, el cobre, el magnesio, el níquel, el titanio, el zinc y sus aleaciones. 3.2 ALUMINIO Y SUS ALEACIONES

El sistema de especificaciones para el aluminio es un número de código de cuatro dígitos. El sistema tiene dos partes, una para aluminios forjados y la otra para fundiciones de aluminio. La diferencia es que se usa un punto decimal después del tercer dígito para fundiciones de aluminio. Dado que el endurecimiento por trabajo y los tratamientos térmicos influyen en las propiedades de las aleaciones de aluminio, el templado debe designarse adicionalmente al código de composición. Esta designación se adjunta a los números precedentes de cuatro dígitos, separándola con un guion para indicar el tratamiento o la ausencia del mismo. En la figura 3.1 y 3.2 se muestran las especificaciones para el aluminio.

Figura 3.1 Especificaciones para el aluminio

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Figura 3.2 especificaciones para el aluminio

3.3 MAGNESIO Y SUS ALEACIONES El esquema de especificaciones para aleaciones de magnesio usa un código de tres a cinco caracteres alfanuméricos. Los dos primeros son letras que identifican a los principales elementos de la aleación en el código se pueden especificar hasta dos elementos en orden decreciente de porcentajes, o en orden alfabético a porcentajes iguales, estas letras clave van seguidas por un número de dos dígitos que indica, respectivamente, las cantidades de los dos elementos al porcentaje más cercano. Finalmente, el último símbolo es una letra que indica algunas variaciones en la composición o simplemente el orden cronológico en que fue normalizada para uso comercial. Las aleaciones de magnesio también requieren especificación de un temple; para las aleaciones de magnesio se usa el mismo esquema básico que se presenta para el aluminio. En la figura 3.3 se presentan algunos ejemplos de aleaciones de magnesio que ilustran el esquema de especificaciones.

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Figura 3.3 Tabla de características de las aleaciones de magnesio.

3.4 COBRE Y SUS ALEACIONES La especificación de aleaciones de cobre se basa en el United Numbering System for Metalsand Alloys (UNS), el cual usa un número de cinco dígitos precedidos por la letra C.Las aleaciones se procesan en las formas forjada y de fundición, y el sistema de especificación incluye ambas. En la figura 3.4 se presentan algunas aleaciones de cobre con sus composiciones y sus propiedades mecánicas.

Figura 3.4 Composición y propiedades mecánicas de aleaciones de cobre.

3.5 NÍQUEL Y SUS ALEACIONES Las aleaciones de níquel son comercialmente importantes por sí mismas y notables por su resistencia a la corrosión y su desempeño a altas temperaturas. En la figura 3.5 se dan algunas características del níquel

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Figura 3.5 Composición y propiedades mecánicas de aleaciones de níquel seleccionadas.

3.6 TITANIO Y SUS ALEACIONES El titanio puro es reactivo, lo cual presenta problemas para su procesamiento, especialmente en estado fundido. Sin embargo, forma a temperatura ambiente un delgado recubrimiento adherente de óxido que suministra excelente resistencia a la corrosión. En la figura 3.6 se presentan algunas composiciones y propiedades mecánicas de algunas de sus aleaciones

Figura 3.6 Composiciones y propiedades mecánicas típicas de aleaciones de titanio.

3.7 ZINC Y SUS ALEACIONES Las aleaciones de zinc se usan ampliamente en la fundición de dados para producciones masivas de componentes destinados a la industria automotriz y de accesorios, otra aplicación importante del zinc se encuentra en la galvanización del acero. Finalmente, un tercer uso importante del zinc se encuentra en el latón, esta aleación consiste en dos metales, cobre y zinc en la relación aproximada de dos terceras partes de Cu y una tercera parte de Zn. En la figura 3.7 se enlistan varias aleaciones de zinc.

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Figura 3.7 Composiciones, resistencia a la tensión y aplicaciones de aleaciones de zinc

3.8 PLOMO Y ESTAÑO El plomo y el estaño se consideran muchas veces juntos, debido a su baja temperatura de fusión y a que constituyen la aleación de soldadura blanda utilizada para hacer las conexiones eléctricas. El plomo y sus aleaciones tienen aplicaciones en plomería, cojinetes, municiones, metales tipográficos, pantallas contra rayos X, acumuladores y amortiguación de vibraciones, se ha usado también ampliamente en productos químicos y pinturas. Los principales elementos de aleación son el estaño y el antimonio. El uso más antiguo del estaño fue con el bronce. Esta aleación, que consiste en cobre y estaño, otros usos del estaño son recubrimientos delgados de recipientes de acero para almacenar alimentos y, desde luego, metal para soldadura blanda.

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IV MATERIALES CERÁMICOS Son los primeros materiales que tuvo a su alcancé el hombre primitivo y que aún hoy siguen teniendo una gran cantidad de aplicaciones, por ejemplo, el barro, la porcelana, etc. Sin embargo en los últimos años han cobrado gran auge los llamados cerámicos de ingeniería, entre los que se pueden mencionar a los siguientes: - Óxidos (óxido de aluminio, óxido de magnesio, etc.) - Carburos ( Carburo de tungsteno, carburo de silicio, carburo de titanio, etc.) - Nitruros como puede ser en nitruro cúbico de silicio. Estos materiales de alta tecnología muestran las características siguientes: - Poseen una alta dureza - Resistentes a temperaturas elevadas - Aislantes térmicos y eléctricos - Son resistentes a la corrosión Sin embargo, son frágiles, son poco resistentes al choque térmico y son todavía muy caros. Estos materiales encuentran actualmente en herramientas de corte, recubrimientos, válvulas e impulsores para bombas, ladrillos refractarios y componentes automotrices. En la imagen 4.1 se muestra un ejemplo de un producto hecho a partir de los materiales cerámicos.

Figura 4.1 Componentes cerámicos de alúmina

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V POLIMEROS 5.1INTRODUCCION Los polímeros son los más nuevos de los tres tipos básicos de materiales y al mismo tiempo, los más antiguamente conocidos por el hombre. Un polímero es un compuesto que consiste en moléculas de cadena larga, cada molécula está hecha de unidades repetitivas que se conectan entre sí, puede haber miles o millones de unidades en una sola molécula de polímero. El término se deriva de las palabras griegas poly, que significa muchos, y meros que significa parte. Los polímeros se dividen en termoplásticos, termoestables y elastómeros, son materiales de ingeniería relativamente nuevos comparados con los metales y los cerámicos, se conocen desde mediados del siglo XIX. 5.2 POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS, O TERMOPLÁSTICOS (TP) Como se les llama frecuentemente, son materiales sólidos a temperatura ambiente, pero cuando se someten a temperaturas de algunos cientos de grados se convierten en líquidos viscosos. Esta característica permite conformarlos fácil y económicamente en productos útiles; pueden sujetarse repetidamente a ciclos de calentamiento y enfriamiento sin que se degraden significativamente. 5.3 POLÍMEROS TERMOFIJOS, O TERMOFIJOS (TS) No toleran ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento como lo hacen los termoplásticos. Con calentamiento inicial, se ablandan y fluyen para ser moldeados, pero las temperaturas elevadas producen también una reacción química que endurece el material y lo convierte en un sólido infusible. Si este polímero termofijo se recalienta, se degrada por pirolisis en lugar de ablandarse. 5.4 ELASTÓMEROS (E) Son polímeros que exhiben una extrema extensibilidad elástica cuando se sujetan a esfuerzos mecánicos relativamente bajos. Algunos elastómeros pueden estirarse alargando 10 veces su longitud y luego recuperan completamente su forma original. Aunque las propiedades son bastante

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diferentes a las de los termófijos comparten una estructura molecular similar a la de éstos, pero diferente de la de los termoplásticos. De los plásticos se aprovechan las siguientes características: - Son ligeros - Baratos - No se corroen - Se les puede dar forma fácilmente - Buenos aislantes térmicos y eléctricos - Son relativamente fáciles de reciclar Sin embargo muestran los siguientes incovenientes: - Sólo pueden trabajar a temperaturas relativamente bajas (no más de 120 ºC) - Sus propiedades mecánicas son un tanto reducidas - Se degradan - Su reciclaje todavía es un tanto limitado. Los plásticos mas usados hoy día son: - El polietileno, el poliestireno, el cloruro de polivinil ( PVC), el teraftalato de polietileno (PET), el polipropileno, etc. Todos ellos son plásticos reciclables. Dentro de los termofijos los más usados son: los epóxicos, los silicones, poliésteres no saturados, poliuretano, fenólicos, etc. Todos ellos son muy difíciles de ser reciclables pero afortunadamente la suma de ellos sólo alcanza un 20 % del total consumido.

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VI MATERIALES COMPUESTOS En términos generales, un material compuesto es aquel que está hecho de dos o mas elementos que le otorgan ciertas propiedades en combinación que no son posibles en ninguno separadamente. Los materiales compuestos se pueden clasificar en varias formas. Una posible clasificación distingue entre tradicionales y compuestos sintéticos. Los compuestos tradicionales son aquellos que existen en la naturaleza o han sido producidos por antiguas civilizaciones. La madera es un material compuesto que se encuentra en la naturaleza, mientras que el concreto y el asfalto mezclado con grava son compuestos tradicionales usados en la construcción. Los compuestos sintéticos son sistemas de materiales modernos asociados normalmente con las industrias de manufactura, donde los componentes se producen primero en forma separada y luego se combinan bajo control para lograr la estructura, las propiedades y la geometría deseadas. En la figura 6.1 se muestra uno delos usos de los materiales compuestos.

Figura 6.1 Materiales compuestos de un Boeing

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CONCLUSIÓN Existen diferentes materiales que están al alcance del hombre, y cada uno con sus características propias, estos son muy importantes ya que están presentes en la manufactura de productos y servicios. Es importante conocer las características de estos materiales a fondo y sus aplicaciones.

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REFERENCIAS DOCUMENTALES Groover: fundamentos de manufactura moderna. Materiales, procesos y sistemas 1a. Ed. Díaz, Felipe. Materiales y sus propiedades. Cuautitlán izcalli 2008

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