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• Luis Manuel Martinez Reyes

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• Física Aplicada e Interdisciplinaria
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL CECYT NO. 1 “GONZALO VAZQUEZ VELA” Oscoy González Vanesa 3IVB Tecnología de los materiales Prof. Cesar David Diaz Hernández

INTRODUCCION En este trabajo hablaremos de varios temas que tienen que ver con las propiedades de los materiales, lo que podemos hacer con ellos como la soldadura, un moldeado, cortar, calentar, enfriar, etc. También veremos algunos de los cuidados que debemos tener para mantener nuestros materiales en buen estado para evitar algún tipo de corrosión u oxidación.

3.1.-Fundamentos termodinámicos La termodinámica surgió como una generalización de los estudios realizados entre la energía mecánica y el calor intercambiados por las máquinas térmicas, y de ahí el nombre de la disciplina. Esta disciplina es fenomenológicia, se basa en unos principios que no son matemáticamente demostrables, pero que sin embargo son generalizaciones de los estudios experimentales y nunca se ha visto que fallasen.

 Sistemas aislados: Es aquel que no intercambia ni materia ni energía con su entorno, es decir se encuentra en equilibrio termodinámico.

 Sistemas cerrados: Es el que puede intercambiar energía pero no materia con el exterior.  Sistemas abiertos: Es el que intercambia materia con el exterior cuando es cargado.  Propiedades microscópicas: Todo sistema posee una estructura microscópica (moléculas, ellas formadas por átomos, ellos mismos formados por partículas elementales) ; de modo que uno puede considerar las características microscópicas propias de cada una de las partículas constitutivas del sistema.

 Propiedades macroscópicas: Las características macroscópicas corresponden al comportamiento estadístico de las partículas antes mencionadas.

Estado de un sistema y sus transformaciones: Cualquier sistema que muestra un conjunto de variables identificables tiene un estado termodinámico, ya sea que este o no en equilibrio. 

El calor: Es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos. Su concepto está ligado al principio cero de la termodinámica, según el cual 2 cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibra.

Entre objetos, el calor se puede transmitir por medio de diferentes mecanismos de los cuales caben destacar:    

Conducción térmica: Por contacto y sin movimiento de materia Convección térmica: Con movimiento de la materia Radiación térmica: Sin necesidad de materia Radiación calorífica

CLONCUSION: Este tema es importante porque es necesario conocer a fondo los materiales previamente de hacerle algún cambio, experimento, etc. Y que este no se vea afectado

3.1.1.-Comportamiento de materiales líquidos Propiedades reológicas: Se denomina reología al estudio de la deformación y el fluir de la materia. Algunas de las propiedades reológicas más importantes son:     

Viscosidad aparente (relación entre esfuerzo de corte y velocidad de corte) Coeficientes de esfuerzos normales Viscosidad compleja (respuesta ante esfuerzos de corte oscilatorio) Módulo de almacenamiento y módulo de pérdidas (comportamiento visco elástico lineal) Funciones complejas de visco elasticidad no lineal

Propiedades térmicas: Definen el comportamiento de los materiales ante la energía térmica o calor.   

Conductividad: Tanto la conductividad como la difusividad nos dan idea del paso de la energía térmica a través de la materia. Aislante térmico: Un material es aislante térmico cuando bloquea el paso del calor o no lo transmite a través de si. Coeficiente de expansión térmica: Es el incremento de longitud que experimenta un cuerpo de dicho material cuando se incrementa su temperatura.

Propiedades eléctricas: Los metales tienen un potencial de electrodo. El potencial de oxidación es inverso al potencial de electrodo, las propiedades eléctricas son la respuesta de los materiales a estos cambios electroquímicas:   

Pasivación: La oxidación de un metal forma óxidos superficiales, ya que todos los metales tienen la capacidad de reaccionar con el medio que los rodea. Es el proceso en el que se pierde la capacidad de oxidación. Corrosión: Cuando el fenómenos de oxidación continua, los óxidos van debilitando la estructura, ya que son químicamente más estables pero mecánicamente más débiles, y puede perderse parte del metal. Galvanismo: Técnica para pulir una superficie metálica con una fina capa de metal, mediante el empleo de una corriente eléctrica.

CONCLUSION: Conocer las propiedades de nuestros materiales nos permite estar un paso adelante en la practica, pues asi ya conocemos las causas y consecuencias de todo lo que vayamos a hacer.

3.2.-Modelo de fundición y modelo de materiales Molde: Es aquella pieza en la cual se hace un hueco a la figura que en solido quiere darse a la materia fundida que en el se vacía como por ejemplo: La cera, yeso, metal, etc.

El moldeo Requiere de

Moldeo

Fusión La naturaleza del molde

La naturaleza del molde puede ser:

Molde permanente

Molde perdido

Métodos de vertido se da por:

Gravedad

Presión

Tipos de moldeo:    

Moldeo por colada: Método para dar forma a un metal o a un plástico vertiendo el material en un molde y dejándolo endurecer sin aplicarle presión alguna. Moldeo por inyección: Proceso de moldeo consistente en inyectar a presión el material plástico, metálico o cerámico en una cámara o molde cerrado. Moldeo por prensado: Método de moldeo del plástico termoestable, consistente en verter el material sobre un molde y cerrarlo a continuación con otro molde sobre él, al que se le aplica presión y calor.

Moldeo de termoplásticos:

-Es la técnica de moldeo mas utilizada con materiales polímeros -Técnica discontinua: llenado a presión del molde+ enfriamiento+ desmoldeado

3.3.- Modelo de conformado de metales 

 

Doblado en U: Se obtienen establemente las dimensiones precisas tanto en la posición de doblado como en otras zonas, y se pueden realizar distintos procesos de doblado al mismo tiempo, sin embargo, se genera una tensión grande por el doblado. Doblado al aire: Operación de doblado que se realiza usando un perforador para forzar la hoja hacia una cavidad de troquel sin un fondo. Doblado corrugado: Se trata de barras de acero que presentan resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón, y poseen una gran ductilidad, la cual permite que las barras se puedan cortar y doblar con mayor facilidad.

CONCLUSION: Los doblados, en cualquiera de sus tipos son muy usados en la industria hacen varias formas deacuerdo a las necesidades

3.4.-Modelo de corte de materiales Torno: Se denomina torno a un conjunto de máquinas y herramientas que permiten mecanizar piezas de forma geométrica de revolución. Estas máquinas-herramienta operan haciendo girar la pieza a mecanizar, mientras una o varias herramientas de corte son empujadas en un movimiento regulado de avance contra la superficie de la pieza, cortando la viruta de acuerdo con las condiciones tecnológicas de mecanizado adecuadas. 

Torno paralelo: Consiste en una bancada horizontal que soporta el cabezal fijo, cabezal movilo o contrapunta y el carro

 

Torno revolver: Este es usado en producción en mediana escala y en la cual el cabezal móvil ha sido reemplazado por una torre giratoria de 6 posiciones y que puede desplazarse a lo largo de la bancada accionada por el tornillo patrón. Torno vertical: El torno de husillo horizontal no es apropiado para tornear piezas muy pesadas y de gran diámetro.

Limadora: Es una maquina cuyo movimiento principal es rectilíneo. La herramienta se sujeta en un carro portaherramientas instalado en el extremo del carnero. Este carnero es movido hacia adelante y hacia atrás por un sistema de accionamiento mecánico o hidráulico. Las limadoras son usadas generalmente para el mecanizado de superficies planas en piezas relativamente pequeñas y solo es apropiada para la producción en pequeña escala.

Esmeril: Tiene por objeto rebarbar, desbastar, afilar, rectificar, perfilar herramientas de corte, piezas de fundición, piezas de maquinaria, etc.

Taladro: Puede realizar solo las operaciones donde la herramienta gira y avanza a lo largo de su eje de rotación. La pieza permanece siempre fija durante el proceso de mecanizado. La operación más comúnmente realizada en estas maquinas es el taladro con broca en espiral para generar una superficie cilíndrica interior.

Fresadora: Una fresadora es una máquina herramienta utilizada para realizar mecanizados por arranque de viruta mediante el movimiento de una herramienta rotativa de varios filos de corte denominada fresa. Mediante el fresado es posible mecanizar los más diversos materiales como madera, acero, fundición de hierro, metales no férricos y materiales sintéticos, superficies planas o curvas, de entalladura, de ranuras, de dentado, etc

Sierra: La sierra es una herramienta que sirve para cortar madera u otros materiales. Consiste en una hoja con el filo dentado y se maneja a mano o por otras fuentes de energía, como vapor, agua o electricidad. Según el material a cortar se utilizan diferentes tipos de hojas de sierra. CONCLUSION: Este junto con la soldadura fue uno de los temas que mas llamaron mi atención pues son elementos muy importantes como lo son la fresadora, torno, taladro, etc ya quiero ver estas maquinas en acción aunque claro con mucha precaución porque estas son herramientas algo peligrosas.

3.5.-Modelo de unión de materiales  Fundamentos de soldadura Blandas, blancas o fusibles. Soldaduras ordinarias Fuertes, amarillas o refractarias.

Por caldeo y presión de forja. Sin llegar a la fusión Por presión simple.

Por reacción de cuerpos sólidos Con aprovechamiento de energía termoquímica Por reacción de cuerpos no sólidos

Soldaduras especiales

Soldadura aluminotérmica Soldadura oxhídrica Soldadura oxigas Soldadura oxibenz

Llegando a la fusión

Con dos electrodos

De carbón De óxidos

Con un electrodo

De carbón Metálico

Por reacción de cuerpos sólidos Con aprovechamiento de energía termoeléctrica

A tope Por reacción de cuerpos no sólidos

Por puntos Continua

ordinaria, por percusión

 Defectos de soldadura: Para evitar los efectos de la dilatación en las piezas de fundición o de otros metales poco maleables, es necesario calentar toda la pieza al rojo oscuro. En las piezas que se han de soldar longitudinalmente basta calentar los extremos que se deben soldar. En la soldadura de piezas delgadas, sobretodo de chapas, hay que proceder con la mayor rapidez posible, a fin de evitar que se deformen o se ondulen.

 Ensamblaje mecánico: Los métodos de ensamblaje mecánico aseguran 2 o más pares, en una unión que puede desarmarse cuando convenga. El uso de tornillos, tuercas y demás sujetadores roscados son importantes métodos tradicionales dentro de esta categoría.

 Sujetadores mecánicos discretos: Son piezas individuales que sujetan a otras piezas en el ensamblaje

 Sujetadores mecánicos integrados: Son características que se incluyen en las piezas para que ayuden a contener en ensamblaje sin necesidad de piezas adicionales. CONCLUSION: Este fue mi tema favorito mas porque hicimos una pequeña practica y aunque al principio me dio miedo

después quería volver a intentarlo, es bueno conocer los tipos de moldeo todo lo que puedes experimentar en ellos.

3.6.- Modelo de recubrimiento de metales Los recubrimientos o revestimientos, se clasifican por lo general en dos clases; los recubrimientos orgánicos, en los cuales se aplican principalmente pinturas, esmaltes o tintas, y el recubrimiento de conversión. Las formas más comunes de recubrimientos o revestimientos son de fosfato, cromato, óxido y revestimientos anódicos, en las cuales se aplican aleaciones de aluminio, zinc, titanio y magnesio, por medios electroquímicos. CONCLUSION: yo pienso que es importante este tema porque mediante este modelo podemos mantener en mejor estado todas nuestras herramientas.

3.6/1.- Tratamientos termoquímicos Se llama tratamiento termoquímico al aumento en la composición química superficial del acero por difusión de un elemento determinado(C, N, Al, Cr y otros) desde el medio exterior y a alta temperatura. Esto se produce en tres etapas: separación, en la atmósfera, del elemento difundidor al estado atómico; por ejemplo: a) disociación del amoníaco para obtener nitrógeno (nitruración gaseosa) 2NH →2 N +3 H b) disociación del monóxido de carbono para obtener carbono (cementación) CO→CO+C 22 2) contacto de los átomos del elemento difundidor con la superficie del acero y formación de enlaces químicos con los átomos del metal base. 3) difusión hacia el interior del metal. La velocidad de difusión de los distintos elementos en la red cristalina del hierro depende del tipo de solución sólida que formen con él; proceden con más facilidad los formadores de soluciones intersticiales que los sustitucionales.

3.6/1.1.- Carburación o cementación Carburación solida o en caja: En este proceso se presentan los activadores y catalizadores como carbonato de bario (20%) o sodio que ayudan a acelerar la reacción. La caja se debe introducir a una temperatura que está entre 810°C y 950°C; entre más alta sea la temperatura, más alta será la cementación y mayor el contenido de carbono, pero debido a las elevadas temperaturas se produce un grano grande que repercute en el deterioro de las propiedades de la pieza.

Carburación en baño liquido: Las piezas se introducen en un baño de sales fundidas a 930°C constituidas por una sal base generalmente cloruro o carbonato de sodio, con adición de una sal aportadora de carbono, cianuro de sodio o de potasio y de una sal activante, cloruro de bario, mezclados en porcentajes adecuados, según los resultados que se deseen obtener. La presencia de nitrógeno en los cianuros provoca también la formación de productos de reacción (nitruros) de elevada dureza pero limitados a una finísima capa exterior.

Cementación gaseosa: La cementación es un proceso por el cual se endurece la superficie de una pieza de acero manteniendo intacto el núcleo del material que resulta por esto mas tenaz y resistente a los golpes. La cementación se obtiene calentando la pieza (850° a 950° C) y se le mantiene a esa temperatura por un cierto tiempo en contacto de materia que pueden ceder carbono.

3.6/1.2.-Nitruración Nitruración gaseosa: La nitruración es un procedimiento en el cual por medio de la absorción del nitrógeno se endurece superficie del acero. El elemento utilizado para dicho tratamiento es el gas amoniaco parcialmente descompuesto.

Nitruración liquida: Este proceso se basa en el principio de difusión de partículas a través de la aplicación de energía, en este caso térmica para la activación de los átomos de N y C; a medida que aumenta el tiempo de difusión, aumenta la capa difusiva. CONCLUSION: La nitruración es una fase “final” para endurecer el acero para que se obtenga un resultado final optimo

3.6/1.3.-Cianuración y Sulfinación Cianuración: Es una variante de la cementación, se diferencia en que las substancias empleadas (cianuros) contienen también nitrógeno por lo que solamente se endurece una capa muy delgada.

Sulfinación: Se trata de un tratamiento termoquímico que consiste en introducir pequeñas cantidades de azufre, nitrógeno y carbono en aleaciones ferrosas y de cobre. Mejora considerablemente la resistencia al desgaste, por la acción del azufre que se incorpora a la masa metálica por calentamiento a baja temperatura en un baño de sales.

3.7.- Oxidación y Corrosión Corrosión general: Se produce con el adelgazamiento uniforme producto de la pérdida regular del metal superficial. Corrosión localizada: La pérdida de metal ocurre en áreas discretas o localizadas. Corrosión intergranular: Es un fenómeno corrosivo que sucede en los aceros inoxidables, el mismo consiste en una descarburización del acero debido a un fenómeno difusivo del carbono hacia los bordes de grano, en el proceso el carbono arrastra átomos de cromo, lo cual hace que el acero pierda sus propiedades anticorrosivas.

Corrosión calvanica: Es una de las más comunes que se pueden encontrar. Es una forma de corrosión acelerada que puede ocurrir cuando metales distintos (con distinto par redox) se unen eléctricamente en presencia de un electrolito (por ejemplo, una solución conductiva). La corrosión galvánica puede ser particularmente severa cuando las películas protectoras de corrosión no se forman o son eliminadas por erosión.

Corrosión química: En la corrosión química un material se disuelve en un medio corrosivo líquido y este se seguirá disolviendo hasta que se consuma totalmente o se sature el líquido.

3.7/1.-Protección contra la corrosión Por recubrimientos metálicos: El fin más frecuente e importante de los recubrimientos metálicos es el de proteger a otros metales de la corrosión. La mayoría de los metales, expuestos a la acción del ambiente, sufren transformaciones físico-químicas que los degradan, reducen su utilidad y llegan a destruirlos. Los fenómenos que originan estos cambios se agrupan en el concepto de corrosión, o, con mayor amplitud, en el de deterioro de materiales.

Protección por inhibidores: Los inhibidores de corrosión modernos están basados en la combinación de inhibidores orgánicos e inorgánicos, extensamente probados, compuestos por aminoalcoholes (AMA). Los inhibidores basados en amino alcoholes no alteran ninguna de las características del hormigón fresco o endurecido. Forman alrededor de las armaduras una película protectora. Otorgan una protección anódica (inhibe la ionización del acero) y catódica (obstruye el oxigeno disponible en la superficie del acero). Una importante ventaja frente a otros inhibidores es que no tiene ningún efecto nocivo para el medio ambiente o las personas.

Protección catódica: La protección catódica (CP) , es una técnica para controlar la corrosión galvánica de una superficie de metal convirtiéndola en el cátodo de una celda electroquímica.1 El método más sencillo de aplicar la CP es mediante la conexión del metal a proteger con otro metal más fácilmente corroïble al actuar como ánodo de una celda electroquímica. Los sistemas de protección catódica son los que se usan más comúnmente para proteger acero, el agua o de combustible el transporte por tuberías y tanques de almacenamiento, barcos, o una plataforma petrolífera tanto mar adentro como en tierra firme.

3.8.-Modelo de modificación de las propiedades de los materiales. Tratamientos Térmicos: Es el proceso que comprende el calentamiento de los metales o las aleaciones en estado sólido a temperaturas definidas, manteniéndolas a esa temperatura por suficiente tiempo, seguido de un enfriamiento a las velocidades adecuadas con el fin de mejorar sus propiedades físicas y mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos diversos a los sólidos cerámicos.

Endurecimiento del acero: En el proceso de endurecimiento de aceros no aleado se calienta el metal entre 800°C y 900°C durante tanto tiempo hasta que, en el caso de acero, solo ceda austenita pura. En aceros aleados puede ser necesitada otra temperatura muy diferente. Para evitar la corrosión se puede utilizar gas exotérmico en los hornos. Gas exotérmico que consiste de hidrocarburos y contiene además de CO, H2 y N2, también CO2 y H2O se produce en un generador de gas correspondiente.

3.8/1.-Temple El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia del acero. El temple consiste, en un enfriamiento rápido desde una alta temperatura (750°C – 900°C) a que se ha sometido el acero.

Temperatura de temple: Se debe tener cuidado en subir la temperatura (para aumentar la velocidad de austenización) porque se puede producir sobrecalentamiento del grano cristalino, con quema de los bordes de los granos que produce infiltración de oxígeno, oxidación, descarburación, fragilidad excesiva de martensita, retención de austenita. En consecuencia, la temperatura depende del medio de enfriar utilizado: 30 ° C mayor que Ac3 si se trata de agua, 50ºC mayor si es aceite y 70ºC si es aire.

Temperatura superficial: El primer paso está absorbiendo el metal, es decir, calentamiento a la temperatura requerida. El remojo se puede hacer por vía aérea (horno de aire), o un baño. El tiempo de remojo en hornos de aire debe ser de 1 a 2 minutos para cada milímetro de sección transversal. Para un baño el tiempo puede variar un poco más alto. La asignación de tiempo recomendado en baños de sales o de plomo es de 0 a 6 minutos. Se debe evitar a toda costa el calentamiento desigual o el recalentamiento. La mayoría de los materiales se calientan desde cualquier lugar a 815 a 900 ° C. El siguiente paso es el enfriamiento de la pieza. Para minimizar la distorsión, las piezas cilíndricas largas se templan verticalmente; las piezas planas en el borde, y las secciones gruesas deben entrar primero en el baño. El baño se agita para evitar las burbujas de vapor.

Temple doble: Con el doble temple se aumenta el rendimiento de las herramientas fabricadas con aceros rápidos y aceros de alto contenido en cromo, con esto se logra disminuir las tensiones internas antes de poner las herramientas en servicio, el acero se calienta a 550ºc aprox.

Temple a la llama: Es un proceso de tratamiento térmico en el cual la superficie de una aleación ferrosa templable, es calentada rápidamente por encima de la temperatura de transformación mediante la aplicación directa de una llama de

alta temperatura o por los productos de combustión de gases, y luego enfriada a una velocidad tal que pueda producir la estructura y dureza deseable. La llama de alta temperatura es obtenida por la combustión de una mezcla de un gas combustible con oxígeno o aire, en distintos tipos de cabezales y picos.

3.8/2.- Revenido Revenir: Los aceros suelen quedar excesivamente duros y sobretodo muy frágiles después del temple, por lo que se le somete a continuación para evitar dichos efectos a otro tratamiento llamado revenido. El revenido consiste en un nuevo calentamiento a una temperatura variable, según el resultado que se desea obtener, seguido de un enfriamiento.

Fragilidad del revenido: En algunas clases de aceros se aprecia una considerable disminución de la tenacidad en la zona de temperaturas comprendida entre los 250-400ºC. Esta fragilidad se inicia en la tercera etapa del revenido, cuando la cementita forma una red o película que envuelve las agujas de martensita. A temperaturas superiores, esta red tiende a aumentar la tenacidad. Esta fragilidad se minimiza agregando al acero elementos aleantes: el silicio aumenta la temperatura de esta zona de fragilidad. Existe otro tipo particular de fragilidad, que ocurre en el revenido de los aceros al Cr-Nicon prolongada permanencia a 450-550ºC, denominada fragilidad de Krupp. El remedio más eficaz para prevenir esta fragilidad consiste en la adición de 0.15 a 0.50% de molibdeno alacero susceptible de sufrir fragilidad de Krupp.

3.8/3.-Normalizado Su objetivo es dar al acero afinamiento de la estructura y eliminar tensiones internas. Se emplea para piezas fundidas, forjadas y laminadas. Consiste en un calentamiento (875 a 940°C) y un enfriamiento a la temperatura ambiente, solo puede efectuarse en aceros al carbono. CONCLUSION: El normalizado es la ultima fase de un procedimiento en el que se afinan alguna imperfección