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TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES

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ESTE LIBRO FUE REALIZADO POR ALUMNOS DEL INSTITUTO TECNOLOGICO DE VILLAHERMOSA DE LA CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA, EN LA MATERIA DE TECNOLOGIA DE MATERIALES, IMPARTIDA POR LA M. C. JUANA SELVAN DE LA CRUZ.

MAYO DEL 2015 2

INDICE INTRODUCCION 10

OBJETIVO

12

UNIDAD 1 1. INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES 1.1. IMPORTANCIA DE LOS MATERIALES 1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES 1.3. ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES 1.4. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

13 15 15 20 25

UNIDAD 2 2. MECÁNICA DE LOS MATERIALES 2.1. COMPORTAMIENTO MECÁNICO 2.1.1. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES 2.1.2. TIPOS DE ENSAYOS MECÁNICOS

29 30 30 38

2.1.3. ASPECTOS GENERALES DE LA FALLA EN LOS MATERIALES 2.2. TENSIÓN DE LOS MATERIALES 2.2.1. DEFORMACIÓN Y ESFUERZO

40 41 41

2.2.2. TRACCIÓN DE LOS MATERIALES 2.2.3. TENSIÓN Y COMPRESIÓN 2.2.4. ENSAYO DE TRACCIÓN 2.3. FLEXIÓN DE LOS MATERIALES 2.3.1. ENSAYO DE FLEXIÓN

42 43 44 48 49 3

2.3.2. MOMENTOS MÁXIMOS DE FLEXIÓN 2.4. FRACTURA DE LOS MATERIALES

51 52

2.4.1. FRACTURA DÚCTIL 2.4.2. FRACTURA FRÁGIL 2.5. FATIGA DE LOS MATERIALES 2.5.1. ENSAYOS DE FATIGA

53 55 58 59

UNIDAD 3 3. PROCESAMIENTO DE LOS MATERIALES 62 3.1. ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION 3.1.1. DISLOCACIONES 3.1.2. FUENTE DE FRANK-READ 3.1.3. ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION 3.1.4. PROCESOS MAS USADOS PARA EL TRABAJO EN FRIO 3.1.5. CURVAS ESFUERZO-DEFORMACION 3.2. SOLIDIFICACION DE LOS MATERIALES 3.2.1. SOLIDIFICACION DE METALES 3.2.1.1.

63 63 68 71 75 84 86 86

INTRODUCCIÓN E IMPORTANCIA TECNOLÓGICA

DE LOS METALES 3.2.1.2.

MECANISMO DE NUCLEACION

3.2.1.2.1. 3.2.1.2.2. 3.2.1.3.

NUCLEACION HOMOGENEA NUCLEACION HETEROGENEA

MECANISMO DE CRECIMIENTO

3.2.1.3.1.

CRECIMIENTO PLANAR

3.2.1.3.2.

CRECIMIENTO DENDRÍTICO

86 88 88 88 89 90 91 4

3.2.1.4.

EL TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN Y TAMAÑO DE

DENDRITA 92 3.2.1.5.

EFECTOS SOBRE LA ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

3.2.1.6.

ESTRUCTURA DE LA PIEZA COLADA

3.2.1.6.1.

ZONA DE ENFRIAMIENTO RÁPIDO

3.2.1.6.2.

ZONA COLUMNAR

3.2.1.6.3.

ZONA EQUIAXICA

3.2.1.7.

93 94 94 94

SOLIDIFICACION DIRECCIONAL, CRECIMIENTO DE

MONO CRISTALES Y CRECIMIENTO EPITAXIAL 3.2.1.8.

COLADA CONTINUA Y VACIADO DE LINGOTES

3.2.1.9.

DEFECTOS DE LA SOLIDIFICACIÓN

3.2.1.9.1.

95 96 97

CONTRACCIÓN

3.2.1.9.2.

CONTRACCIÓN INTERDENDRITICA

3.2.1.9.3.

SOPLADURAS O POROSIDAD DE GAS

3.2.2. SOLIDIFICACION DE MATERIALES CERAMICOS 3.2.2.1.

93

PROCESAMIENTO DE LOS MATERIALES

98 98 98 100

CERÁMICOS 3.2.3. SOLIDIFICACIÓN DE MATERIALES SEMICONDUCTORES 3.2.3.1.1.

PROCESO CZOCHRALSKI

3.2.3.1.2.

FUSIÓN POR ZONAS

3.2.4. SOLIDIFICACION DE MATERIALES POLÍMEROS 3.2.4.1.

CRISTALINIDAD Y ESTEREOISOMERÍA DE

TERMOPLÁSTICOS. 3.2.4.2.

TERMOPLÁSTICOS DE INTERÉS EN INGENIERÍA

3.2.4.3.

DEFORMACIÓN DE POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS

101 104 104 106 107

108 110 113 5

3.2.4.3.1. 3.2.4.3.2.

COMPORTAMIENTO ELÁSTICO COMPORTAMIENTO PLÁSTICO

116 117

3.2.4.3.3.

VISCOELASTICIDAD

3.2.5. SOLIDIFICACION DE MATERIALES COMPUESTOS 3.2.5.1.

MATERIALES COMPUESTOS PARTICULADOS

3.2.5.2.

MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON

FIBRAS 3.2.5.3.

119 120 121

122

MANUFACTURA DE FIBRAS Y DE MATERIALES

COMPUESTOS 3.2.5.4.

PRODUCCIÓN DEL MATERIAL COMPUESTO

3.2.5.5.

MATERIALES COMPUESTOS LAMINARES

3.2.5.6.

PRODUCCIÓN DE COMPUESTOS LAMINARES

3.3. ENDIRECIMIENTO POR DISPERSION 3.3.1. ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN Y DIAGRAMAS DE

124 126 127 128 130

FASES EUTÉCTICAS 3.3.1.1.1. 3.3.1.2. 3.3.1.3.

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN PRINCIPIOS Y EJEMPLOS DE ENDURECIMIENTO

130 130 131

POR DISPERSIÓN 3.3.1.4.

COMPUESTOS INTERMETÁLICOS

3.3.1.5.

APLICACIONES DE LOS INTERMETÁLICOS

3.3.1.6.

DIAGRAMAS DE FASES QUE CONTIENEN

REACCIONES ENTRE TRES FASES 3.3.1.7.

REACCIONES EUTÉCTICAS

3.3.1.8.

DIAGRAMA DE FASES EUTÉCTICAS

132 132 133

133 134 135 6

3.3.1.9.

ALEACIONES QUE REBASAN EL LIMITE DE

SOLUBILIDAD 136 3.3.1.10. ALEACIONES EUTÉCTICAS

136

3.3.1.11. ALEACIONES HIPOEUTÉCTICAS E HIPEREUTÉCTICAS 3.3.1.12. RESISTENCIA DE ALEACIONES EUTÉCTICAS 3.3.1.13. EUTÉCTICOS Y PROCESAMIENTO DE MATERIALES

138 139 141

3.3.1.14. SOLIDIFICACIÓN DEL SISTEMA EUTÉCTICO EN DESEQUILIBRIO 3.3.1.15. DIÁGRAMA DE FASES TERNARIOS

142 143

3.3.2. ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN MEDIANTE TRANSFORMACIÓN DE FASE Y TRATAMIENTO TÉRMICO 3.3.2.1.

ALEACIONES ENDURECIDAS AL EXCEDER EL

145

LÍMITE DE SOLUBILIDAD 3.3.2.2.

ENDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIENTO O

145

ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN 3.3.2.3.

EFECTO DE TEMPERATURA Y TIEMPO DE

146

ENVEJECIMIENTO 3.3.2.4.

USO A ALTAS TEMPERATURAS DE LAS

147

ALEACIONES ENDURECIDAS POR ENVEJECIMIENTO 3.3.2.5.

REACCIÓN EUTECTOIDE

3.3.2.6.

CONTROL DE LA REACCIÓN EUTECTOIDE

148 149 150

3.3.2.7.

LA REACCIÓN MARTENSÍTICA Y EL REVENIDO

151

7

UNIDAD 4 4. MATERIALES EN INGENIERÍA 4.1. ALEACIONES 4.1.1. PROPIEDADES DE LAS ALEACIONES 4.1.2. PROCESO DE OBTENCION 4.1.3. CLASIFICACION DE LAS ALEACIONES 4.1.4. TIPOS DE ALEACIONES 4.1.5. ALEACIONES MAS COMUNES 4.2. MATERIALES CERÁMICOS 4.2.1. ESTRUCTURAS DE LAS CERÁMICAS 4.2.2. PROPIEDADES MECANICAS

152 153 153 154 155 156 158 161 161 162

4.2.3. PROPIEDADES FISICAS 4.2.4. PRODUCTOS COMERCIALES 4.2.4.1.

EJEMPLOS

4.2.5. NUEVOS MATERIALES CERAMICOS 4.3. POLIMEROS 4.3.1

UTILIDAD DE LOS POLÍMEROS

4.3.2

LOS POLÍMEROS EN LA INDUSTRIA

4.3.2.1 POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS 4.3.2.2 ELASTÓMEROS 4.3.2.3 POLÍMEROS TERMOESTABLES

162 162 163 164 165 165 167 167 168 169

4.4. MATERIALES COMPUESTOS 4.4.1. MATRIZ 4.4.1.1.

INORGÁNICA

4.4.1.2.

ORGÁNICA

170 170 170 171 8

4.4.2. MÉTODOS DE OBTENCIÓN 4.4.3. APLICACIONES Y FUTURO DE ESTOS MATERIALES

171 172

4.5. DESGASTE DE LOS MATERIALES 4.5.1. MECANISMOS DE DESGASTE 4.5.1.1.

DESGASTE ADHESIVO

4.5.1.2.

DESGASTE ABRASIVO

4.5.1.3.

DESGASTE EROSIVO

4.5.1.4.

DESGASTE POR CAVITACIÓN

4.5.1.5.

DESGASTE POR FRETTING

CONCLUSIÓN

173 174 174 174 175 175 175

176

BIBLIOGRAFÍA GLOSARIO

178 179

9

INTRODUCCION Una pequeña retrospección: Naces y, como cualquier bebé usas pañales, ya sea de tela o desechables, el primero, está hecho de algodón, el segundo, por su parte de materiales sintéticos; bebes de un biberón hecho de algún polímero, probablemente termoplástico; creces y te llevan en carriola, que tiene estructura metálica con otras partes de plástico, y mucho tiempo después, cuando te das cuenta de que estás rodeado por muchas cosas (arboles, casas, postes de luz, autos, portones, bicicletas, puentes, etc.), luego aprendes que a todo lo que te rodea se le llama materia, y la materia ocupa un lugar en el espacio, y la palabra materia está relacionada a otra llamada material, que en ingeniería la definimos como una sustancia con cualidades útiles, que por citar algunas serían: la conductividad térmica, la resistencia o la conductividad eléctrica. Los materiales son, en este caso el tema de este libro. Si hablas con otra persona y le cuentas que estás haciendo un libro sobre materiales tal vez piense que tienes mucho tiempo libre, o poca imaginación y habría que comprenderlo, estamos viviendo día a día con los materiales, usándolos, desgastándolos, renovándolos, que su paso por nuestras manos o nuestros ojos resulta efímero y común, no nos ponemos a pensar ¿Cómo harán para que el plástico tenga muchas formas?, ¿Cuál es ese material que hace que siempre se mantenga fresco el salón de clases?... Pues bien, todos nosotros, a lo largo de este curso, redescubrimos los materiales que nos rodean directa e indirectamente, directamente por los materiales que vemos a diario, e indirectamente por el proceso para crear y mejorar materiales. Comenzamos por definir y denotar la importancia de los materiales en nuestra vida, −que está más que explicita al momento de usar nuestros teléfonos inteligentes o con los nuevos modelos de vehículos que son más eficientes y menos contaminantes−, después nos centramos clasificar a los materiales

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que se usan en ingeniería y conocer sus propiedades, así como su estructura microscópica. En el segundo bloque de este libro, se compila todo lo relacionado sobre el comportamiento mecánico de los materiales, así como los tipos de ensayos o pruebas que se le pueden aplicar a éstos. La tercera parte de este volumen están contenidos las técnicas y métodos para solidificar y dar más resistencia a los materiales, −por supuesto, estás técnicas dan lugar a cierto tipo de materiales compuestos− y nos explica, a nivel microscópico como se desarrolla la mecánica estos métodos. Finalmente, concluimos con un apartado especial para cada tipo de materiales, su procesamiento y su aplicación a la ingeniería. De esta manera, a nombre de todos lo que hicieron posible la realización de este libro, le agradezco, de tener este libro en sus manos y darle la importancia que se merece. Gracias.

11

OBJETIVO

OBJETIVOS GENERALES: 

Conocer, dominar y aplicar las nuevas tecnologías para el mejoramiento de materiales, así como la creación de nuevos materiales más económicos y con menor impacto ambiental.



Aplicar la Ingeniería y el conocimiento científico a la hora de elegir un material para un trabajo o proceso especifico.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 

Fomentar el dialogo y el trabajo en equipo a la hora de estructurar el contenido del presente libro.



Desarrollar capacidad de análisis y aplicar la metodología de la investigación para respaldar la veracidad del libro.



Ejemplificar con materiales conocidos para la mejor comprensión del libro para que sea consultado por un público más amplio.

12

UNIDAD 1 INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES Los materiales son las sustancias que componen cualquier sustancia o producto. Madera, vidrio, hormigón, acero, plástico, papel, etc. Son solo algunos ejemplos evidentes de los materiales que nos rodean y que junto con la energía, son utilizados por el hombre para mejorar su calidad de vida. La importancia de la utilización de los materiales a lo largo de la historia se hace patente si se tiene en cuenta que las primeras civilizaciones se conocen con el nombre del material que alcanzo mayor grado de desarrollo (edad de piedra, edad de bronce, etc.). Los primeros hombres se limitaron a utilizar materiales naturales que estaban a su alcance: piedra, madera, arcilla, cuero, etc. Sin embrago, con el tiempo el hombre descubrió técnicas que le permitían producir materiales con mejore propiedades: cerámicas, metales. Y finalmente descubrió que determinados tratamientos (mezclas, calor, presión, luz) permitían mejorar las propiedades finales del material. La utilización de un material u otro fue siempre un proceso de selección, entre los materiales conocidos, se aplicaba el más idóneo para el objetivo perseguido. La situación sufrió un cambio brusco en la mitad del siglo xx. Los científicos comenzaron a descubrir las relaciones existentes entre las estructuras de los materiales y sus propiedades. Lo que les capacito para modificar o mejorar las características finales de los materiales. Así en los últimos 50 años se han preparado decenas de miles de nuevos materiales, con características específicas para satisfacer una determinada demanda: aceros, plásticos, fibras. Pero además, no siempre es el material el que se desarrolla para atender una necesidad, en otras ocasiones es el descubrimiento de las propiedades de un determinado material es el que provoca la aparición de nuevas e importantes tecnologías. Ejemplos, pensemos en toda la

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tecnología basada en el conocimiento de las propiedades de los semiconductores. La producción de nuevos materiales y el procesado de estos hasta la conversión en productos acabados. La necesidad de nuevos materiales con determinada propiedades es constante en nuestra sociedad y la investigación dedicada a su búsqueda es de gran importancia. Así, por ejemplo, los aviones de transporte a la velocidad hipersónica (x-30) precisan de aleaciones que soporten temperatura mayor a 1800 ° c, el desarrollo de la informática precisa de nuevos materiales que permitan reducir el tamaño y aumentar la velocidad de los procesadores, los ingenieros químicos buscan continuamente materiales más resistentes a la corrosión para muchas aplicaciones, etc. La ciencia de materiales investiga fundamentalmente la relación existente entre la estructura y las propiedades de los materiales, así como los efectos que los diferentes procesados pueden tener sobre estas últimas. La ingeniería de los materiales se ocupa fundamentalmente de la manera en que estos materiales pueden ser aplicados y formar parte de productos útiles a la sociedad. Como la frontera entra estas dos disciplinas no siempre puede establecerse claramente, surge la ciencia e ingeniería de materiales, que combina conocimientos básicos y aplicados.

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IMPORTANCIA DE LOS MATERIALES EN INGENIERÍA Probablemente, la importancia de los materiales en nuestra cultura es mayor de lo que habitualmente se cree. Prácticamente cada segmento de nuestra vida cotidiana está influido en mayor o menor grado por los materiales, como por ejemplo transporte, vivienda, vestimenta, comunicación, recreación y alimentación. Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad; se trata de metales, plásticos, vidrios y fibras. El progreso de muchas tecnologías, que aumentan la confortabilidad de nuestra existencia, va asociado a la disponibilidad de materiales adecuados. El avance en la comprensión de un tipo de material suele ser el precursor del progreso de una tecnología. Por ejemplo, la fabricación de automóviles fue posible por la aparición de un acero idóneo y barato o de algún sustituto comparable. Actualmente los adelantos electrónicos más sofisticados se basan en componentes denominados materiales semiconductores.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES EN INGENIERÍA Los materiales se pueden clasificar de muchas maneras las cuales mencionaremos a continuación 

Según su origen o Materiales naturales: son aquellos que se encuentran en la naturaleza, las personas utilizamos materiales naturales con diferente origen: mineral, vegetal o animal. A partir de rocas y minerales se obtienen los materiales de origen mineral. Los metales, la piedra o la arena son materiales de origen mineral. A partir de las plantas obtenemos los materiales de origen vegetal. El material de origen vegetal más importante es la madera, pero también existen otros que

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empleamos de forma habitual, como las fibras vegetales (algodón, lino, mimbre) o el corcho. o Materiales de origen animal. Por ejemplo, el cuero o la lana que usamos en muchas prendas de vestir, en bolsos, zapatos, etc. o Materiales sintéticos: son aquellos creados por las personas a partir de materiales naturales; por ejemplo, el hormigón, el vidrio, el papel o los plásticos. Los objetos que nos rodean están fabricados con una gran variedad de materiales que podemos clasificar de diferentes formas; por ejemplo, por su origen. Sin embargo, el criterio más adecuado para clasificar materiales como se muestra en la Tabla 1.1es por sus propiedades. Tabla 1.1

Principales clasificaciones de los materiales MATERIAL

APLICACIONES

Madera

Muebles, Estructuras, Embarcaciones. Clips, Cuchillas, Cubiertos, Estructuras. Bolígrafos, Carcasas de electrodomésticos, Envases.

Metal

Plástico

Pétreos

Encimeras, Fachadas y suelo de edificios.

Cerámica y vidrio

Vajillas, Ladrillos, tejas, Ventanas, puertas, Cristales.

Textiles

Ropa, Toldos.

PROPIEDADES

EJEMPLOS

OBTENCIÓN

No conduce el calor ni Pino A partir de la electricidad, Fácil de Roble, Árboles. trabajar. Haya. Buen conductor del calor y Acero, A partir de la electricidad, Dúctil y Cobre, Determinados maleable. Estaño, Aluminio. Minerales. Ligero. Mal conductor PVC, PET, Mediante procesos del calor y la Porexpán químicos, a partir del Electricidad. (corcho blanco), Petróleo. Metacrilato. Pesados y resistentes. Mármol, Se obtienen de las rocas, en Difíciles de trabajar, Granito. canteras. Buenos aislantes del calor y la Electricidad. Duro, Frágil, Loza, A partir de arcillas y arenas Transparente Porcelana, por moldeado y cocción. Se (Solo vidrio). Vidrio. obtiene mezclando y tratando arena, caliza y sosa. Flexibles y resistentes, Algodón, Se hilan y tejen fibras de Fáciles de trabajar. Lana, origen vegetal, animal o Nailon. sintético 16



Según su composición

En principio, los materiales pueden clasificarse en tres grandes grupos de acuerdo a su composición química y estructura atómica: metálicos, cerámicos y polímeros. A estos, suele añadirse también por su gran importancia en ingeniería de los materiales compuestos (formados por dos o más materiales diferentes) y los semiconductores, que aunque en general pueden encuadrarse dentro de alguno de los otros grupos principales, por su importancia tecnológica y lo extendido de su uso en la actualidad, merecen ser considerados como un tipo principal de materiales.

o Metales: Los metales y sus aleaciones generalmente tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, una resistencia relativamente alta, una alta rigidez, ductilidad o confortabilidad y resistencia al impacto. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Aunque en ocasiones se utilizan metales puros, las combinaciones de metales conocidas como aleaciones proporcionan mejoría en alguna propiedad particularmente deseable o permiten una mejor combinación de propiedades. También se caracterizan por la presencia de electrones deslocalizados, que se considera son los responsables de las propiedades que caracterizan a estos sistemas: buena conductividad térmica y eléctrica, así como resistencia, ductilidad y relativa dureza, que les permiten ser ampliamente utilizados en aplicaciones estructurales. Entre los más utilizados destacan el hierro, aluminio, magnesio, cinc, titanio, cobre y níquel.

o Cerámicos: Los cerámicos son fuertes y duros, aunque también muy frágiles o quebradizos. Las nuevas técnicas de procesamiento han conseguido que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en 17

aplicaciones de carga (Figura 1.1), como los impulsores en los motores de turbina. Algunos materiales cerámicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez. Son los denominados materiales refractarios. Generalmente tienen baja conductividad térmica por lo que son empleados como aislantes. Por ejemplo, partes de los cohetes espaciales son construidos de azulejos cerámicos que protegen la nave de las altas temperaturas causadas durante la entrada a la atmósfera. Constituidos normalmente por combinaciones químicas de elementos metálicos y no metálicos (óxidos, sulfuros, fosfatos, nitruros, carburos, etc.), pueden ser cristalinos o amorfos. Sus características más importantes son su alta dureza y resistencia térmica y química, bajo peso, y carácter aislante.

Requerimientos Técnicos

. ceramicas avanzadas silicatos ceramicos

Ing. Médica Medida/sensòrica Ing. Electrica Electro medicina Laboratorio Refractarios Aislamiento Eléctrico Edificación

ceramica de consumo

Vajillas de decoración

Figura 1.1: Tipos de cerámicos y aplicaciones

o Polímeros: Producidos mediante un proceso conocido como polimerización, los polímeros incluyen el hule, los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Los polímeros tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y no son

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adecuados para utilizarse a temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, en los cuales las largas cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductilidad y confortabilidad; los polímeros termoestables son más resistentes aunque más frágiles porque las cadenas moleculares están fuertemente enlazadas.

o Semiconductores: La conductividad eléctrica de estos materiales puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos como transistores, diodos y circuitos integrados. La información hoy día se transmite por luz a través de sistemas de fibras ópticas; los semiconductores, que convierten las señales eléctricas en luz y viceversa con componentes esenciales de estos sistemas. Aunque desde el punto de vista cuantitativo su importancia es menos significativa, no ocurre lo mismo desde el punto de vista cualitativo. Gran parte de las modernas tecnologías se basan precisamente en su conductividad intermedia entre los conductores y los aislantes eléctricos. El silicio fundamentalmente, pero también el germanio, arseniuro de galio y otros compuestos son esenciales en equipos electrónicos y de comunicación. La transmisión de información mediante fibra óptica se basa precisamente en la capacidad de los semiconductores en convertir señales eléctricas en luz y viceversa.

o Materiales compuestos: Los materiales compuestos se forman a partir de dos o más materiales, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de manera individual. Con materiales compuestos podemos producir materiales ligeros, fuertes, dúctiles, resistentes a altas temperaturas, o bien, podemos producir herramientas de corte, duras y a la vez resistentes al impacto, que de otra manera se harían añicos. Un ejemplo de material compuesto es el concreto, en la Tabla 1.2 pueden observarse más.

19

Tabla 1.2

Materiales compuestos Fibras cerámicas (carburo de silicio, alúmina) Fibras metálicas

Fibras

Fibras inorgánicas (carbono, vidrio, boro) Fibras orgánicas (aramida, polietileno) Matrices inorgánicas (cementos, geopolimeros, yeso) Matrices termoestables (epoxi, vinilister, poliéster, fenólica, esteres, cianato,

Matrices

bismaleimidas, polimidas, polieteramida) Matrices termoplásticas (ABS, polipropileno, policarbonato, acetato, PBT, polietermida, PET, nilón, poliamida, PEEK, PEKK, PALPAS) Nidos de abeja (aluminio, Noex, polipropileno)

Núcleos

Espumas (poliuretano, poliestireno, PVC) Sándwich tejido 3D, madera de balsa.

Adhesivos

Epoxi, poliuretano, acrílicos.

Recubrimientos

Cerámicos, fenólicos, epoxi, arena.

ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES Empezaremos explicando lo que son las materias primas, los materiales, y un producto tecnológico. Después veremos los materiales principales y por último todas las propiedades de los materiales, una a una. 

Materia prima: son las sustancias que se extraen directamente de la naturaleza. Tenemos animales (la seda, pieles, etc) vegetales (madera, corcho, algodón, etc) y minerales (arcilla, arena, mármol, etc.)

20



Los materiales: son las materias primas transformadas mediante procesos físicos y/o químicos, que son utilizados para fabricar productos. Ejemplo de Materiales son los tableros de madera, el plástico, láminas de metal, etc.



Los productos tecnológicos: son ya los objetos construidos para satisfacer las necesidades del ser humano. Una mesa, una viga, un vestido, etc.

El proceso general (Figura 1.2) sería: primero se extrae la materia prima, posteriormente se convierte en un material, y con los materiales construimos el producto tecnológico.

Figura 1.2: Proceso general de los materiales

La estructura de un material debe ser tenida en cuenta a diferentes niveles. En primer lugar se debe considerar que del ordenamiento de los electrones alrededor de los núcleos dependen las propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y térmicas de los materiales, además de influir en los enlaces de unos átomos con otros. El ordenamiento de esos átomos (estructura cristalina), o incluso la falta de él (materiales amorfos o vítreos) dará lugar a propiedades muy diferentes.

21

Así por ejemplo, el polietileno amorfo es transparente, mientras que el cristalino es traslucido. Es también habitual en materiales metálicos y cerámicos que aparezca una estructura en granos, esto es ordenamientos a medio alcance. La forma y tamaño de estos granos también afecta fuertemente a las propiedades de los materiales. Así por ejemplo, para circuitos integrados se necesitan chips de silicio que estén constituidos por un solo grano (monocristal). Finalmente, es preciso considerar que muchas veces los materiales empleados contienen más de una fase diferente, y que el control de las propiedades entre las diferentes fases permite controlar sus propiedades. Es por lo anterior en la estructura cristalina de los materiales existen tres clasificaciones 

Cristalinos

Un sólido cristalino se construye a partir de la repetición en el espacio de una estructura elemental paralelepipédica denominada celda unitaria. En función de los parámetros de red, es decir, de las longitudes de los lados o ejes del paralelepípedo elemental y de los ángulos que forman, se distinguen siete sistemas cristalinos y catorce redes de Bravais, las cuales se muestran en la Tabla 1.3

Tabla 1.3 Los catorce tipos de redes Bravais, agrupados en siete sistemas cristalinos

Sistema Cristalino

Elementos Característicos

Cúbico

Cuatro ejes ternarios

Ejemplos Cubica simple

Cubica Centrada en las Caras Cubica Centrada en el Cuerpo Tetragonal

Un eje cuaternario (o binario derivado)

Tetragonal simple

22

Tetragonal centrada Ortorrómbico

Tres ejes binarios o tres planos de simetría

Simple

centrado

Caras Centradas

Bases centradas

Hexagonal

Un eje senario (o ternario derivado)

Simple

Trigonal (o Romboédrica)

Un eje ternario

Simple

Monoclínico

Un eje binario o un plano de simetría

Simple

Centrada en las bases

Triclínico

Un centro de simetría o bien ninguna simetría

simple

23



Amorfos

Mientras que los materiales cristalinos y, en menor medida, los semicristalinos presentan un patrón regular y repetitivo de átomos o iones formado de estructuras tridimensionales periódicas, los materiales amorfos presentan un patrón uniformemente deformado o estructura cristalina retroactiva, es decir, no tienen un ordenamiento periódico. Algunos ejemplos son el vidrio y determinados materiales plásticos. 

Semicristalinos

Contiene dos regiones claramente definidas en su estado sólido. Una de estas regiones es amorfa y la otra es cristalina. Material cuyas moléculas no presentan ningún orden de acomodo físico, esto se suele explicar comparando con un plato de Spaghetti después de hervir, donde cada cadena de moléculas toma una forma de cuerda aleatoria y estas se enredan entre sí. Un ejemplo de estos materiales es el vidrio y por ello a estos polímeros se les conoce también como vítreos. Para que un material presente semicristalinidad, deben cumplirse ciertas condiciones, como lo son la regularidad de los monómeros, es decir que la cadena contenga unidades que se repitan de forma constante. También debe formarse una hélice con respecto a los substituyentes (el PE y el PP son parcialmente excepción de esta regla) y además debe cumplirse la condición de tactilidad.

24

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Son el conjunto de características que hacen que el material se comporte de una manera determinada ante estímulos externos como la luz, el calor, las fuerzas, etc. Las propiedades de los

materiales

según

su

clasificación

podemos

resumirlas

en

la

Figura

1.3.

PROPIEDADES

FISICAS

QUIMICAS

ELECTRICAS

Figura

1.3:



ECOLOGICAS

OXIDACIÒN

RECICLABLES

MECANICAS

BIODEGRADABLES

OPTICAS

RENOVABLES

Clasificación

de

los

materiales

de

acuerdo

a

sus

propiedades

Propiedades Eléctricas de los Materiales: Determinan el comportamiento de un material cuando pasa por el la corriente eléctrica. Una propiedad eléctrica es la llamada conductividad, que es la propiedad que tienen los materiales para transmitir la corriente eléctrica. En función de ella los materiales pueden ser: o Conductores: Lo son si permiten el paso de la corriente fácilmente por ellos.

25

o Aislantes: Lo son si no permiten fácilmente el paso de la corriente por ellos. o Semiconductores: se dicen que son semiconductores si solo permiten el paso de la corriente por ellos en determinadas condiciones. (Por ejemplo si son conductores a partir de una temperatura determinada y por debajo de esa temperatura son aislantes).



Propiedades

Mecánicas

de

los

materiales.

Estas quizás son las más importantes, ya que nos describen el comportamiento de los materiales cuando son sometidos a las acciones de fuerzas exteriores. Una propiedad muy general de este tipo es la resistencia mecánica, que es la resistencia que presenta un material ante fuerzas externas. Algunas más Concretas son: o Elasticidad: propiedad de los materiales de recuperar su forma original cuando deja de actuar sobre ellos la fuerza que los deformaba. Un material muy elástico, después de hacer una fuerza sobre el y deformarlo, al soltar la fuerza vuelve a su forma original. Lo contrario a esta propiedad sería la plasticidad. o Plasticidad: propiedad de los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes. o Maleabilidad: facilidad de un material para extenderse en láminas o planchas. o Ductilidad: propiedad de un material para extenderse formando cables o hilos. o Dureza: es la resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro. El más duro es el diamante. Los diamantes solo se pueden rayar con otro diamante. Para medir la dureza de un material se utiliza la escala de Mohs, escala de 1 a 10, correspondiendo la dureza 10 al material más duro. o Tenacidad: es la resistencia que ofrece un material a romperse cuando es golpeado. 26

o Fragilidad: seria lo contrario a tenaz. Es la propiedad que tienen los cuerpos de romperse fácilmente cuando son golpeados. El metal es tenaz y el vidrio es frágil y duro. 

Propiedades

Térmicas

de

los

materiales.

Determinan el comportamiento de los materiales frente al calor. o Conductividad térmica: es la propiedad de los materiales de transmitir el calor, produciéndose, lógicamente una sensación de frió al tocarlos. Un material puede ser buen conductor térmico o malo. o Fusibilidad: facilidad con que un material puede fundirse (pasar de líquido a solido o viceversa). o Soldabilidad: facilidad de un material para poder soldarse consigo mismo o con otro material. Lógicamente los materiales con buena fusibilidad suelen tener buena soldabilidad. o Dilatación: es el aumento de tamaño que experimenta un material cuando se eleva su temperatura. 

Propiedades

Ópticas

de

los

materiales.

Se ponen de manifiesto cuando la luz incida sobre el material. o Materiales opacos: no se pueden ver los objetos a través de ellos. o Materiales transparentes: los objetos se pueden ver a través de ellos, pues dejan pasar los rayos de luz. o Materiales translúcidos: estos materiales permiten el paso de la luz, pero no dejan ver con nitidez a través de ellos. Por ejemplo el papel de cebolla. 

Propiedades

Químicas

de

los

Materiales

Se manifiestan cuando los materiales sufren una transformación debida a su interacción con otras sustancias. El material se transforma en otro diferente (reacción química) 27

o La oxidación: es la facilidad con la que un material se oxida, es decir, reacciona en contacto con el oxigeno del aire o del agua. Los metales son los materiales que más se oxidan. Si un material se oxida (Figura 1.4) con el agua se puede decir

que

se

corroe

en

lugar

de

se

oxida.

Figura 1.4: La sustancia roja que se forma cuando se oxida el hierro se llama orín y es muy tóxica.



Propiedades

Ecológicas

de

los

Materiales

Según el impacto que producen los materiales en el medio ambiente , se clasifican en: o Reciclables: son los materiales que se pueden reciclar, es decir su material puede ser usado para fabricar otro diferente. o Reutilizable: Se puede volver a utilizar pero para el mismo uso. o Tóxicos: estos materiales son nocivos para el medio ambiente, ya que pueden resultar venenosos para los seres vivos y contaminan el agua, el suelo o la atmósfera. o Biodegradables: son los materiales que la naturaleza tarda poco tiempo en descomponerlos de forma natural en otras sustancias

28

UNIDAD 2 MECÁNICA DE LOS MATERIALES

Muchos materiales, cuando prestan servicio, están sometidos a fuerzas o cargas, ejemplos de ello son los revestimientos refractarios de los hornos, las aleaciones de aluminio con las cuales se construyen las alas de los aviones, el acero de los ejes de los automóviles o las vigas y pilares de los edificios. En tales situaciones es necesario conocer las características del material y diseñar la pieza de tal manera que cualquier deformación resultante no sea excesiva y no se produzca la rotura. El comportamiento mecánico o las propiedades mecánicas de un material reflejan la relación entre la fuerza aplicada y la respuesta del material (o sea, su deformación).

29

COMPORTAMIENTO MECÁNICO PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES Las propiedades mecánicas pueden definirse como aquellas que tienen que ver con el comportamiento de un material bajo fuerzas aplicadas. Las propiedades mecánicas se expresan en términos de cantidades que son funciones del esfuerzo o de la deformación o ambas simultáneamente. Las propiedades mecánicas fundamentales son la resistencia, la rigidez, la elasticidad, la plasticidad y la capacidad energética. 

La resistencia: se mide por el esfuerzo según el cual desarrolla alguna condición limitativa específica. Las principales condiciones limitativas o criterios de falla son la terminación de la acción elástica y la ruptura. La dureza, usualmente indicada por la resistencia a la penetración o la abrasión en la superficie de un material, puede considerarse como un tipo o una medida particular de la resistencia.



La rigidez: tiene que ver con la magnitud de la deformación que ocurre bajo la carga; dentro del rango del comportamiento elástico, la rigidez se mide por el módulo de elasticidad.



La elasticidad: se refiere a la capacidad de un material de deformarse no permanentemente al retirar el esfuerzo.



La plasticidad: se usa para indicar la capacidad de deformación en el rango elástico o plástico sin que ocurra ruptura; un ejemplo de medición de la plasticidad es la ductilidad de algunos metales, llamados dúctiles.



La capacidad energética: es la capacidad de un material para absorber energía elástica depende de la resistencia y la rigidez; por ejemplo, la capacidad energética

30

en el rango de acción elástica se denomina resiliencia; la energía requerida para romper un material se denomina tenacidad. El esfuerzo se define aquí como la intensidad de las fuerzas componentes internas distribuidas que resisten un cambio en la forma de un cuerpo. El esfuerzo se define en términos de fuerza por unidad de área. Existen tres clases básicas de esfuerzos: tensivo, compresivo y corte. El esfuerzo se computa sobre la base de las dimensiones del corte transversal de una pieza antes de la aplicación de la carga, que usualmente se llaman dimensiones originales. La deformación se define como el cambio de forma de un cuerpo, el cual se debe al esfuerzo, al cambio térmico, al cambio de humedad o a otras causas. En conjunción con el esfuerzo directo, la deformación se supone como un cambio lineal y se mide en unidades de longitud. En los ensayos de torsión se acostumbra medir la deformación cómo un ángulo de torsión (en ocasiones llamados detrusión) entre dos secciones especificadas. Cuando la deformación se define como el cambio por unidad de longitud en una dimensión lineal de un cuerpo, el cual va acompañado por un cambio de esfuerzo, se denomina deformación unitaria debida a un esfuerzo Es una razón o número no dimensional, y es, por lo tanto, la misma sin importar las unidades expresadas (Figura 2.1).

Figura 2.1: Relación entre la deformación unitaria y la deformación

31

Si un cuerpo es sometido a esfuerzo tensivo o compresivo en una dirección dada, no solo ocurre deformación en esa dirección (dirección axial) sino también deformaciones unitarias en direcciones perpendiculares a ella (deformación lateral). Dentro del rango de acción elástica la compresión entre las deformaciones lateral y axial en condiciones de carga uniaxial (es decir en un solo eje) es denominada relación de Poisson. La extensión axial causa contracción lateral, y viceversa. ELASTICIDAD La elasticidad es aquella propiedad de un material por virtud de la cual las deformaciones causadas por el esfuerzo desaparecen al removérsele. Algunas sustancias, tales como los gases poseen únicamente elasticidad volumétrica, pero los sólidos pueden poseer, además, elasticidad de forma. Un cuerpo perfectamente elástico se concibe como uno que recobra completamente su forma y sus dimensiones originales al retirarse el esfuerzo. No se conocen materiales que sean perfectamente elásticos a través del rango de esfuerzos completo hasta la ruptura, aunque algunos materiales como el acero, parecen ser elásticos en un considerable rango de esfuerzos. Algunos materiales, como el hierro fundido, el concreto, y ciertos metales no ferrosos, son imperfectamente elásticos aún bajo esfuerzos relativamente reducidos, pero la magnitud de la deformación permanente bajo carga de poca duración es pequeña, de tal forma que para efectos prácticos el material se considera como elástico hasta magnitudes de esfuerzos razonables. Si una carga de tensión dentro del rango elástico es aplicada, las deformaciones axiales elásticas resultan de la separación de los átomos o moléculas en la dirección de la carga; al mismo tiempo se acercan más unos a otros en la dirección transversal. Para un material relativamente isotrópico tal como el acero, las características de esfuerzo y deformación son muy similares irrespectivamente de la dirección de la carga (debido al arreglo errático 32

de los muchos cristales de que está compuesto el material), pero para materiales anisotrópicos, tales como la madera, estas propiedades varían según la dirección de la carga. Una medida cuantitativa de la elasticidad de un material podría lógicamente expresarse como el grado al que el material puede deformarse dentro del límite de la acción elástica; pero, pensando en términos de esfuerzos que en deformación, un índice práctico de la elasticidad es el esfuerzo que marca el límite del comportamiento elástico. El comportamiento elástico es ocasionalmente asociado a otros dos fenómenos; la proporcionalidad lineal del esfuerzo y de la deformación, y la no-absorción de energía durante la variación cíclica del esfuerzo. El efecto de absorción permanente de energía bajo esfuerzo cíclico dentro del rango elástico, llamado histéresis elástica o saturación friccional, es ilustrado por la decadencia de la amplitud de las vibraciones libres de un resorte elástico; estos dos fenómenos no constituyen necesarios criterios sobre la propiedad de la elasticidad y realmente son independientes de ella. Para medir la resistencia elástica, se han utilizado varios criterios a saber: el límite elástico, el límite proporcional y la resistencia a la cedencia. El límite elástico se define como el mayor esfuerzo que un material es capaz de desarrollar sin que ocurra la deformación permanente al retirar el esfuerzo. El límite proporcional se define cómo el mayor esfuerzo que un material es capaz de desarrollar sin desviarse de la proporcionalidad rectilínea entre el esfuerzo y la deformación; se ha observado que la mayoría de los materiales exhiben esta relación lineal entre el esfuerzo y la deformación dentro del rango elástico. El concepto de proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación es conocido como Ley de Hooke, debido a la histórica generalización por Robert Hooke de los resultados de sus observaciones sobre el comportamiento de los resortes (MOORE, 1928). 33

LA RESISTENCIA ÚLTIMA El término resistencia última está relacionado con el esfuerzo máximo que un material puede desarrollar. La resistencia a la tensiones el máximo esfuerzo de tensión que un material es capaz de desarrollar. . La Figura 2.2 muestra, esquemáticamente, las relaciones entre esfuerzo y deformación para un metal dúctil y un metal no dúctil cargado hasta la ruptura por tensión:

Figura

2.2:

Diagramas

esquemáticos de esfuerzo y

deformación

para

materiales dúctiles y no dúctiles

ensayados

a

tensión hasta la ruptura

La resistencia a la compresión es el máximo esfuerzo de compresión que un material es capaz de desarrollar. Con un material quebradizo que falla en compresión por ruptura, la resistencia a la compresión posee un valor definido. En el caso de los materiales que no fallan en compresión por una fractura desmoronante (materiales dúctiles, maleable o semiviscoso), el valor obtenido para la resistencia a la compresión es un valor arbitrario que depende del grado de distorsión considerado como falla efectiva del material. La Figura 2.3 muestra diagramas característicos de esfuerzo y deformación para materiales dúctiles y no dúctiles en compresión:

34

Figura 2.3: Diagramas esquemáticos de esfuerzo y

deformación

para

materiales dúctiles y no dúctiles,

ensayados

compresión

hasta

a la

ruptura

La dureza, la cual es una medida de la resistencia a indentación superficial o a la abrasión, puede, en términos generales, considerarse como una función del esfuerzo requerido para producir algún tipo especificado de deformación superficial. La dureza se expresa simplemente como un valor arbitrario, tal como la lectura de la báscula del instrumento particular usado. PLASTICIDAD La plasticidad es aquella propiedad que permite al material sobrellevar deformación permanente sin que sobrevenga la ruptura. Las evidencias de la acción plástica en los materiales estructurales se llaman deformación, flujo plástico y creep. Las deformaciones plásticas son causadas por deslizamientos inducidos por esfuerzos cortantes (Figura 2.4). Tales deformaciones pueden ocurrir en todos los materiales sometidos a grandes esfuerzos, aun a temperaturas normales. Muchos metales muestran un efecto de endurecimiento por deformación al sobrellevar deformaciones plásticas, ya que después de que han ocurrido deslizamientos menores por corte no acusan 35

deformaciones plásticas adicionales hasta que se aplican esfuerzos mayores. No se presentan cambios apreciables de volumen como resultado de las deformaciones plásticas.

Figura 2.4: Deformación plástica y plano de deslizamiento La plasticidad es importante en las operaciones de formación, conformación y extrusión. Algunos metales se conforman en frío, por ejemplo, la laminación profunda de láminas delgadas. Muchos metales son conformados en caliente, por ejemplo, la laminación de perfiles de acero estructural y el forjado de ciertas partes para máquinas; los metales como el hierro fundido se moldean en estado de fusión; la madera se flexiona mejor mientras está seca y caliente. Los materiales maleables son aquellos que pueden martillarse para formar láminas delgadas sin fractura; la maleabilidad depende tanto de la suavidad como de la plasticidad del material. Otra manifestación de la plasticidad en los materiales es la ductilidad. La ductilidad es la propiedad de los materiales que le permiten ser estirados a 36

un grado considerable antes de romperse y simultáneamente sostener una carga apreciable. Se dice que un material no dúctil es quebradizo, esto es, se quiebra o rompe con poco o ningún alargamiento. RIGIDEZ La rigidez tiene que ver con la deformabilidad relativa de un material bajo carga. Se le mide por la velocidad del esfuerzo con respecto a la deformación. Mientras mayor sea el esfuerzo requerido para producir una deformación dada, más rígido se considera que es el material. Bajo un esfuerzo simple dentro del rango proporcional, la razón entre el esfuerzo y la deformación correspondiente es denominada módulo de elasticidad (E). Existen tres módulos de elasticidad: el módulo en tensión, el módulo en compresión y el módulo en cortante. Bajo el esfuerzo de tensión, esta medida de rigidez se denomina módulo de Young; bajo corte simple la rigidez se denomina módulo de rigidez. En términos del diagrama de esfuerzo y deformación, el módulo de elasticidad es la pendiente del diagrama de esfuerzo y deformación en el rango de la proporcionalidad del esfuerzo y la deformación (figura 20). CAPACIDAD ENERGETICA La capacidad de un material para absorber o almacenar energía se denomina capacidad energética del material. La cantidad de energía absorbida al esforzar un material hasta el límite elástico, o la cantidad de energía que puede recobrarse cuando el esfuerzo es liberado del límite elástico, es llamada la resiliencia elástica. La energía almacenada por unidad de volumen en el límite elástico es el módulo de resiliencia. El módulo de resiliencia es una medida de lo que puede llamarse la resistencia a la energía elástica del material y es de importancia en la selección de materiales para servicio, cuando 37

las partes están sometidas a cargas de energía, pero cuando los esfuerzos deben mantenerse dentro del límite elástico (SEELEY y SMITH, 1956). Cuando un material es sometido a una carga repetida, durante cualquier ciclo de carga o descarga, o viceversa, alguna energía es absorbida o perdida. Este fenómeno de la energía perdida es llamado generalmente histéresis, y dentro del rango elástico, histéresis elástica. La resistencia involucra la idea de la energía requerida para romper un material. Puede medírsele por la cantidad de trabajo por volumen unitario de un material requerida para conducir el material a la falla bajo carga estática, llamada el módulo de resistencia. La resistencia es una medida de lo que puede llamarse la resistencia energética última de un material y es de importancia en la selección de un material para tipos de servicio en los cuales las cargas de impacto aplicadas puedan causar esfuerzos sobre el punto de falla de tiempo en tiempo (SEELEY y SMITH, 1956).

TIPOS DE ENSAYOS MECÁNICOS Para aproximar las condiciones en que un material debe comportarse en servicio, es necesario cierto número de procedimientos de ensayo. La relación, entre varios procedimientos de ensayo puede evidenciarse por medio de una clasificación ordenada de las condiciones de ensayo, los tipos principales de las cuales son: 1. Aquellas relacionadas con la manera en que la carga es inducida. 2. Aquellas que tienen que ver con la condición del material o probeta misma en el momento del ensayo.

38

3. Aquellas relacionadas con la condición de los alrededores (condición ambiente) durante el progreso del ensayo, como en los estudios de exposición atmosférica. El método de aplicación de la carga es la base más común para designar o clasificar los ensayos mecánicos. Hay tres factores involucrados en la definición de la manera en que la carga es aplicada: la clase de esfuerzo inducido, la velocidad a la cual la carga se aplica y el número de veces que la carga es aplicada. En el ensayo mecánico de probetas preparadas hay cinco tipos primarios de cargas; según lo dictado por la condición de esfuerzo a inducir: tensión, compresión, corte directo, torsión y flexión. Con respecto al ritmo según el cual se aplica, los ensayos pueden clasificarse en tres grupos. Si la carga es aplicada durante un periodo de tiempo relativamente corto, pero con lentitud suficiente para que pueda considerarse que la rapidez del ensayo tenga un efecto prácticamente despreciable sobre los resultados, el ensayo se denomina estático. Si la carga es aplicada muy rápidamente de modo que el efecto de la inercia y el factor tiempo queden involucrados, los ensayos se llaman dinámicos. Si la carga es sostenida durante un largo periodo, el ensayo se denomina de larga duración, donde los ensayos de creep constituyen un caso especial. Con respecto al número de veces que la carga es aplicada, los ensayos pueden clasificarse en dos grupos: En el primer grupo, el cual incluye el mayor número de ensayos realizado, una sola aplicación de carga constituye el ensayo. En el segundo grupo, la carga se repite muchas veces, millones si es necesario.

39

ASPECTOS GENERALES DE LA FALLA EN LOS MATERIALES La falla puede considerarse como la alteración del comportamiento característico de acuerdo con alguna propiedad física básica. Por ejemplo, el es forzamiento o deformación de un material más allá del límite elástico, es decir sin recuperación de su forma o longitud original. A nivel macroescalar la falla puede concebirse como el grado de deformación qué sea excesivo en relación con el desempeño aceptable de un miembro de alguna estructura o máquina. La falla puede ocurrir de tres maneras fundamentales: por deslizamiento o flujo, por separación, y por pandeo. El deslizamiento o flujo ocurre bajo la acción de esfuerzos cortantes. Esencialmente, los planos paralelos dentro de un elemento de un material se mueven (se deslizan o desplazan) en direcciones paralelas; la acción continua de esta manera, a un volumen constante y sin desintegración del material, se denomina creep, o flujo plástico. El deslizamiento puede terminar por ruptura cuando las fuerzas moleculares (o esfuerzos de escala similar) son rebasadas. Estos esfuerzos cortantes que causan el deslizamiento son originados por cargas tensivas o compresivas, cargas torsionales, o cargas flexionantes. La separación es una acción inducida por los esfuerzos tensivos. Se verifica cuando el esfuerzo normal a un plano excede las fuerzas internas que aglutinan el material; la falla por separación es frecuentemente denominada fractura por fisura. Los estados de esfuerzos que involucran esfuerzos tensivos suficientes para causar la fractura por fisura pueden ser inducidos por cargas diferentes de las primarias tensivas. El pandeo es un fenómeno de compresión. Una falla por pandeo puede inducirse mediante una carga diferente de la carga primaria compresiva; por ejemplo, la carga torsional de un tubo de pared delgada puede arrojar pandeo causado por los esfuerzos compresivos inducidos; o en una viga de madera, bajo carga flexionante, la falla puede iniciarse por el pandeo localizado de las fibras de madera en la superficie en compresión de la viga.

40

TENSIÓN DE LOS MATERIALES Como parte fundamental en la formación y en la vida laboral del ingeniero químico es de suma importancia que logre identificar las propiedades mecánicas de los materiales que este debe empleen cualquier campo de su profesión, durante este capítulo se hablara de distintas de estas propiedades mecánicas que desarrollaremos de forma que se pueda dar una fácil interpretación del comportamiento del material comenzando con algunas definiciones.

DEFORMACIÓN Y ESFUERZO 

DEFORMACION

Se puede definir como deformación al cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo (fuerzas externas) o en ocurrencia por dilatación térmica. Esta deformación está en función de las propiedades mecánicas del material. Por ejemplo, al estirar una liga esta cambia su longitud, un niño al aplastar su plastilina hace que esta cambie de forma. En ocasiones, mas en el campo de la ingeniería, existen procesos en los cuales los cuerpos tienden a deformarse muy poco que no se aprecia a simple vista, mas, sin embargo, estas deformaciones son de suma importancia a la hora de asignarle una labor a un material, un ejemplo muy práctico es la dilatación térmica de las vías de acero de los trenes, durante las temporadas de gran calor estas tienden a dilatarse debido al exceso de calor, los ingenieros encargados deben hacer un cálculo de la deformación por dilatación que sufren estas para saber el espacio que deben dejar entre ellas. Dentro de las deformaciones existen dos tipos que es de suma importancia su comprensión ya que son unas de las propiedades más importantes de los materiales, estas son la deformación elástica y la deformación plástica. 41

o Deformación elástica: es aquella en la que el material puede regresar a su estado original al retirarle la fuerza que hacía que este se deformara. Por ejemplo, al estirar una liga como se mencionó antes, esta cambiara su longitud, pero al dejar de hacer este estiramiento esta regresa a su forma natural. o Deformación plástica: es aquella en la cual el material una vez deformado no puede regresar a su forma original, un ejemplo es cuando sometemos un plástico a distintas temperaturas, una vez dilatado este no podrá regresar a su estado natural. Todos los materiales presentan ambas propiedades, pero dependiendo las propiedades del material será el rango en el que se logre apreciar el tipo de deformación, propiedades como la estructura atómica. 

ESFUERZO

Se denomina esfuerzo a la magnitud de fuerzas internas que realiza un material para contrarrestar las fuerzas externas que tienden a deformarlo. Recordando la tercera ley de Newton que nos dice “A toda acción corresponde una reacción igual o contraria” y aplicando el balance de fuerzas ∑ 𝐹 = 0 para que nuestro cuerpo de estudio (en nuestro caso el material a tratar) pueda permanecer en estado de reposo y a este se le aplique una fuerza, nuestro material debe “reaccionar” con una fuerza de igual magnitud. Este tipo de fuerza es el esfuerzo que debe hacer el material.

TRACCIÓN DE LOS MATERIALES Se denomina tracción al esfuerzo interno que realiza un material por la aplicación de dos fuerzas externas, que tienden a estirarlo, esta propiedad nos es de vital importancia a la hora

42

de seleccionar nuestro material en una aplicación específica, ya que esta está implícita en la fuerza de tensión. Es también el valor de las fuerzas distribuidas por unidad de área determinada en cualquier parte interna del material. Debido a esto, la tracción se podría considerar como

𝐹 𝐴

y tendría unidades de presión, como

pascales, que es la unidad derivada estándar de medición de presión en el SI

TENSIÓN Y COMPRESIÓN 

TENSION

La tensión puede definirse como lo contrario a la tracción, un cuerpo experimenta una tensión al ser alargado por cualquier punto en torno al material, la tracción al ser la magnitud que se opone a esta fuerza, y siguiendo la tercera ley de Newton, para que en todo punto siempre haya un balance de fuerza es necesario que el material realice un esfuerzo de la misma magnitud de la fuerza aplicada, en todo caso podemos decir que la tensión es proporcional a la tracción. Por esta propiedad se puede decir que la tensión 𝜎 (con esta letra denotaremos la tensión) está 𝐹

dada por la formula 𝜎 = 𝐴 en donde el área será el área transversal y siempre en la misma dirección en la que se está aplicando la fuerza. La tensión de un material tiene distintos puntos de deformación, tema que veremos más adelante al estudiar los ensayos de Tension-Deformacion. 

COMPRESION

En general, cuando se somete un material a un conjunto de fuerzas se produce la aparición de tensiones tanto de tracción como de compresión. 43

En el material el esfuerzo de compresión puede ser simplemente la fuerza resultante que actúa sobre una determinada sección transversal al eje en dirección de la fuerza aplicada a dicho material, lo que tiene el efecto de acortar la pieza en la dirección a este eje. La diferencia clara entre la compresión y la tensión es que la compresión se aplican fuerzas siempre hacia la parte central del material y tienden a acortar la longitud, a ocupar menos espacio, en cambio, la tensión siempre son fuerzas aplicadas en sentido opuesto al material y su longitud será más larga, ocupara más espacio.

ENSAYO DE TRACCIÓN Para los ingenieros en general es importancia la mediación de las propiedades de la infinita gama de materiales utilizados en infinitos procesos industriales, estas propiedades siempre nos dirán cuál es el mejor material a utilizar en una tarea asignada, conforme el avance de la tecnología nuevos materiales salen a la luz, y con ellos competencia tanto en los mercados como en sus implementos debido a distintos factores que la tarea del material pueda presentar ante este. En el ensayo de tracción, antes que nada se necesitan distintos materiales, el más importante es una probeta (Figura 2.5) la cual debe estar estandarizada, según la norma EN 10002. Nuestra probeta debe tener una parte rebajada en el centro, sección transversal 𝑆𝑜 ,

circular o rectangular 𝑆𝑜 , y una longitud calibrada 𝐿𝑐 , la cual consiste en tener

𝐿𝑐

unas marcas para saber su longitud antes de que sea deformada.

Figura 2.5: Probeta estandarizada para ensayo

44

Nuestra probeta debe tener una cierta proporcion que esta dada por una constante K que en este caso el valor de K = 5.65. Para calcular esta proporcion estara dada porecuacion

𝐿𝑐 √𝑆0

= k.

El ensayo debe ser realizado en una maquina universal de ensayos la cual esta compuesta por las paretes que se muestran en la Figura 2.6.

Célula de carga: es la que se encarga de la aplicación de fuerzas para realizar la deformación. Mordazas: son las que toman a la probeta por su sección transversal. Cruceta: en esta se extraen los datos de la fuerza y deformación aplicada cada momento y lo envía a un ordenador para cuantificar los resultados. Figura 2.6: Máquina universal de ensayos El ordenador después de haber cuantificado todos los datos nos arroja una gráfica de deformación por fuerza aplicada que se puede apreciar del siguiente modo (Figura 2.7). Ahora lo que debemos es hacer es transformar nuestra grafica de fuerza alargamiento

en

una

de

Tension-

Deformacion. Para hacer esto hay que tener en cuanta dos factores muy importantes, para pasar nuestra

Figura 2.7: Grafica de deformación por fuerza aplicada 45

dimensión fuerza a Tensión debemos seguir la ecuación 𝜎 =

𝐹 𝐴

donde el área es la sección

trasversal de nuestra probeta, entonces solo basta dividir los valores obtenidos de Fuerza entre la sección transversal, esto es posible ya que la sección transversal no influye para nada en la dimensión de alargamiento y esta nunca cambia, actúa como una constante. Para convertir nuestra dimensión de alargamiento a deformación, deberemos seguir la siguiente formula 𝜀 = ∆𝐿 𝐿𝑐

donde: 𝜀 es la deformación, ∆𝐿 es la diferencia de longitud de la probeta antes de ser

deformada y después de la deformación. Como se podrá notar, estas propiedades no influyen en la dimensión fuerza, y también efectuamos la división entre una constante, en este caso, la longitud calibrada o longitud inicial. Una vez de haber aplicado nuestras formulas 𝜀 =

∆𝐿 𝐿𝑐

y

𝐹

𝜎 = 𝐴 obtendremos una nueva grafica como la mostrada a continuación.

Resistencia a la tensión

Zona de estricción

Tensión (Pa)

Esfuerzo de cadencia

Deformación plástica

Esfuerzo de Ruptura

∆𝜎 ∆𝜎

∆𝜀

Módulo de elasticidad ∆𝜀 Deformación elástica

Deformación Figura 2.8: Comportamiento de la deformación en función a la tensión

46

Ahora que podemos observar el comportamiento de la deformación en función a la tensión aplicada, podremos conocer distintas propiedades del material. 

Módulo de elasticidad: en la primera parte de la gráfica el comportamiento es lineal, lo que nos dice que hay una proporción entre la tensión ejercida y la deformación producida.



Deformación Elástica: es esta región de la gráfica el material se deforma, pero si la fuerza se le es retirada regresaría a su forma original.



Deformación Plástica: es la zona en la que el material una vez deformado ya no regresara a su forma original



Esfuerzo de cadencia: este es el punto en el que el material deja su deformación elástica y al superar por mas mínimo la tensión ejercida este entrara en la zona de deformación plástica, en la cual, una vez deformado ya no podrá regresar a su forma original.



Resistencia a la tensión: es el punto máximo de la curva, la máxima tensión que el cuerpo puede soportar.



Zona de estricción: es cuando el material comienza a tener otro tipo de deformación plástica, en la cual se comienza a formar un encuellamiento debido a su cercano punto de ruptura.



Punto de ruptura: es el punto exacto en que el material se rompe.



Tenacidad: la tenacidad se puede definir como la tensión total por punto de 𝜀

deformación (área bajo la curva) y se puede conocer mediante ∫𝜀 0 𝑓(𝜀) 𝑑𝜀 donde 𝜀0 𝑟

es el primer punto de la curva donde la deformación tiende a 0 y 𝜀𝑟 es el punto de ruptura. Todas estas son algunas de las muchas propiedades que son posible obtener gracias a un ensayo de Tension-Deformacion, las gráficas y las propiedades dependerán mucho del

47

material, en algunos el módulo de elasticidad es prácticamente nulo, en otros casi se aprecia una deformación por lo que van casi directamente a la ruptura, al final, el material es el que decide cómo comportarse y es por esta gran diversidad el estudio de estas propiedades para su futura aplicación.

FLEXIÓN DE LOS MATERIALES La flexión es el encorvamiento transitorio que experimenta un sólido elástico por la acción de una fuerza que lo deforma (Figura 2.9). Se dice que una pieza está sometida a “flexión pura” cuando en una sección de esa pieza solo existe un momento flexor, en cambio, cuando en una sección de dicha pieza existe momento flector y esfuerzo cortante se dije que está sometida a “flexión simple”. En ingeniería se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. El término "alargado" se aplica cuando una dimensión es dominante frente a las otras. Un caso típico son las vigas, las que están diseñadas para trabajar, principalmente, por flexión. Igualmente, el concepto de flexión se extiende a elementos estructurales superficiales como placas o láminas. El rasgo más destacado es que un objeto sometido a flexión presenta una superficie de puntos llamada fibra neutra tal que la distancia a lo largo de cualquier curva contenida en ella no varía con respecto al valor antes de la deformación. El esfuerzo que provoca la flexión se denomina momento flector.

48

Figura 2.9: Ejemplo más común del esfuerzo que provoca la flexión

ENSAYO DE FLEXIÓN En muchos materiales frágiles no se pueden hacer con facilidad el ensayo de tensión convencional, a causa de la presencia de imperfecciones en la superficie. Con frecuencia, sólo con poner un material frágil en las mordazas de la máquina de ensayos de tensión, se produce la fractura. Esos materiales se pueden probar con el ensayo de flexión. Si se aplica la carga en tres puntos y se provoca flexión, se produce un esfuerzo de tensión en el material en un punto opuesto al punto de aplicación de la fuerza centra (Figura 2.10). La fractura comienza en ese punto. La resistencia a la flexión, o módulo de ruptura, describe la resistencia del material.

49

Figura 2.10: Máquina de ensayo de tensión de tres puntos

𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑡𝑟𝑒𝑠 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 = 𝜎𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 =

3𝐹𝐿 2𝑤ℎ2

Donde F es la carga de fractura o de ruptura, L es la distancia entre los dos puntos de apoyo, w es el ancho del espécimen y h es la altura del espécimen. Las unidades de la resistencia a la flexión son unidades

Figura 2.11: Para medir la resistencia de materiales frágiles, se usa con frecuencia el ensayo de flexión

de esfuerzo, y esa resistencia se representa

con

σflexión.

Los

resultados del ensayo de flexión son parecidos a las curvas de esfuerzo-deformación; sin embargo, se grafica el esfuerzo en función de la deflexión y no en función de la deformación unitaria. El módulo de elasticidad en flexión, o módulo de flexión (E Flexión), se calcula en la región elástica de la pieza.

𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 = 𝐸𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 =

𝐿3 𝐹 4𝑤ℎ3 𝛿

50

Donde δ es la deflexión o flecha viga cuando se aplica la fuerza F (Figura 2.12). Este ensayo también se puede ejecutar en una configuración llamada ensayo de flexión en cuatro puntos. El esfuerzo máximo para un ensayo de flexión en tres puntos es: 𝜎𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 =

3𝐹𝐿1 4𝑤ℎ2

Figura 2.12: Ensayo de la deflexión 𝛿 obtenida por flexión

El ensayo de flexión con cuatro puntos se presta mejor para materiales que contienen imperfecciones. Esto se debe a que el momento de flexión entre las platinas interiores es constante y entonces las muestras tienen a romperse en un lugar al azar, a menos que haya una imperfección que cause la concentración del esfuerzo. Ya que las grietas e imperfecciones tienden a permanecer cerradas durante la compresión, los materiales frágiles, como el concreto, se diseñan de tal modo que sobre la parte solo actúen esfuerzos de compresión.

MOMENTOS MÁXIMOS DE FLEXIÓN Diagramas de cortante y momento: Debido a las cargas aplicadas (P), la barra desarrolla una fuerza cortante (V) y un momento flexionarte (M) internos que, en general, varían de punto a punto a lo largo del eje se la barra (Figura 2.13). Se determina la fuerza cortante máxima y el momento flexionante máximo expresando V y M como funciones de la posición L a lo largo del eje de la barra. Esas funciones se trazan y representan por medio de diagramas llamados diagramas de cortante y momento. Los valores máximos de V y M pueden obtenerse de esas gráficas. 51

M.M.F. en tres puntos=

𝑃𝐿𝑆 4

M.M.F. en cuatro puntos=

𝑃𝐿1 2

Figura 2.13: Momentos máximos de flexión

FRACTURA DE LOS MATERIALES La mecánica de la fractura es la disciplina que se ocupa del comportamiento de los materiales que contiene grietas u otras imperfecciones. El término “imperfección” a los pequeños poros (agujeros), inclusiones o micro grietas. Lo que se desea conocer es el esfuerzo máximo que puede resistir un material, si contiene imperfecciones y geometría. En general, la fractura es la separación de un cuerpo en dos o más partes en respuesta a una tensión aplicada de forma estática. La fractura de los materiales puede clasificarse en dúctil y frágil. La fractura dúctil como podemos observar en la Figura 2.14 ocurre después de una intensa deformación plástica y se caracteriza por una lenta propagación de la grieta. La fractura frágil se produce a lo largo de planos cristalográficos llamados planos de fractura y tiene una rápida propagación de la grieta. 52

Figura 2.14: Fractura dúctil (copa y cono) de una aleación de aluminio

FRACTURA DÚCTIL

La fractura dúctil (Figura 2.15) se suele producir en forma transgranulares (a través de los granos) en los metales con buena ductilidad y tenacidad. Con frecuencia se observa una deformación apreciable, con la formación de un cuello, un entallamiento o estricción localizada, en el componente que fallo. La deformación sucede antes de la fractura final. Las fracturas dúctiles suelen ser causadas por sobrecargas simples o al aplicar un esfuerzo demasiado grande al material. En un ensayo de tensión simple (Figura 2.16), la fractura dúctil comienza con la nucleación, el crecimiento y la coalescencia de micro-huecos se forman cuando un gran

Figura 2.15: Etapas en la formación de una fractura dúctil en copa y cono

esfuerzo causa la separación del material en los límites de grano o interfaces entre el material y pequeñas partículas y pequeñas partículas de impurezas (inclusiones).

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Figura 2.16: Cuando se somete a tensión un

material

dúctil

en

un

ensayo,

comienzan a formarse un cuello y huecos, iniciando cerca del centro de la barra, por nucleación en límites de grano o en inclusiones. A medida que continúa la deformación, se puede formar un labio de corte y producirse una fractura de tipo cono y copa

Al aumentar el esfuerzo local, los micro-huecos crecen y coalescen formando cavidades más grandes (Figura 2.17). Al final, el área de contacto con material con material (por ejemplo, metal con metal) es demasiado pequeña para soportar la carga y produce la fatiga. También la deformación por deslizamiento contribuye a la fractura débil de un metal. Se sabe que deslizamiento tiene lugar cuando el esfuerzo cortante resuelto llega a su valor crítico, y los esfuerzos cortantes resueltos son máximos en un ángulo de 45° respecto al esfuerzo de tensión aplicado.

Figura 2.17: Hoyuelos que se forman en una fractura dúctil. En el centro se forman hoyuelos equiaxiales, donde crecen los microhuecos. Los hoyuelos alargados, que apuntan hacia el origen de la falla, se forman en el labio de corte

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Estos dos aspectos de fractura dúctil proporcionan características particulares a la superficie que fallo, por medio de micrografías electrónicas se observan las características particulares (Figura 2.18)

Figura 2.18: Micrografías electrónicas de barrido de un acero 1018 recocido, que muestra una fractura dúctil producida en un ensayo de tensión. (a) Los hoyuelos equiaxiales son planos en el centro de la taza y el cono, y (b) los hoyuelos alargados en el labio de cortante

FRACTURA FRÁGIL La fractura frágil sucede en metales y aleaciones de alta resistencia o en los metales y aleaciones con mala ductilidad y tenacidad. Además, aun los mátales que normalmente son dúctiles pueden fallar en forma frágil a bajas temperaturas, en secciones gruesas, a grandes velocidades de deformación (por ejemplo, por impacto) o cuando las imperfecciones desempeñan un papel importante. Las fracturas frágiles se observan con frecuencia cuando es el impacto y no la sobrecarga que produce la falla.

55

En la fractura frágil se requiere poca o ninguna deformación plástica. La iniciación de la grieta sucede, normalmente, en las imperfecciones pequeñas que causan una concentración de esfuerzo. La grieta puede moverse a una velocidad que tiende a la velocidad del sonido en el metal. Normalmente, la grieta se propaga con más facilidad a lo largo planos cristalográficos específicos, que con frecuencia son los planos, (100), por clivaje. Sin embargo, en algunos casos la grieta puede obtener una trayectoria intergranular (a lo largo de los límites de grano), en especial cuando la segregación (separación preferencial de distintos elementos) o inclusiones debilitan los límites del grano. La fractura frágil se puede identificar observando las características de la superficie que fallo. Normalmente, la superficie de fractura es lisa y perpendicular al esfuerzo aplicado en un ensayo de tensión. Si la falla sucede por clivaje, cada grano fracturado es liso y tiene orientación diferente, y la superficie de fractura presenta un aspecto cristalino o de una superficie de una característica de “un caramelo macizo” (Figura 2.20). Con frecuencia, quien desconoce esta materia dice que el material fallo porque se cristalizó. Claro que nosotros sabemos que el material era cristalino desde un principio, y que la apariencia de la superficie se debe a los planos de clivaje. Otra propiedad común de las fracturas es el patrón de Chevrón (Figura 2.21), producida por frentes separados de grietas que propagan a distintos niveles en el material. Se forma un patrón de marcas o lomos superficiales que irradian alejándose del origen de la grieta (Figura 2.22). El patrón de Chevrón se ve a simple vista o con una lupa, y ayuda a identificar tanto la naturaleza frágil del procesó de falla como el origen de la misma.

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Figura 2.20: Micrografía electrónica de barrido de una fractura frágil, que muestra la superficie de un acero 1010 templado

Figura 2.21: Patrón de Chevrón en un acero 4030 templado, de 0.5 pulg de diámetro. El acero falló en forma frágil por un golpe de impacto

Figura 2.22: El patrón deChevron se forma a medida que la grieta se propaga a diversos niveles desde origen. El patrón de puntos apunta hacia el origen

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FATIGA DE LOS MATERIALES La fatiga es la disminución de la resistencia de un material debido a esfuerzos repetitivos, que pueden ser mayores o menores que la resistencia de sedancia. Es un fenómeno común en componentes sujetos a cargas dinámicas como autos y aviones, álabes de turbinas, resortes, cigüeñales y demás maquinaria, implantes biomédicos y productos del consumidor como zapatos que están en forma constante a cargas repetitivas en forma de tensión, comprensión, flexión , vibración, dilatación térmica y contracción u otros. Estos esfuerzos con frecuencia son menores que la resistencia de cadencia del material. Sin embargo, cuando el esfuerzo se aplica una cantidad de veces, causa la falla por fatiga. Las fallas por fatigas suelen presentarse en tres etapas. Primero, se inicia o nuclea una grita diminuta, comúnmente en la superficie, con frecuencia mucho después de que comienza la carga. Normalmente, los sitios de nucleación están en o cercas de la superficie, donde el esfuerzo es máximo e incluyen defectos superficiales como ralladuras o picaduras, cantos vivos debido a un diseño o manufactura deficiente, inclusiones, límites de grano concentraciones de dislocaciones. A continuación, la grieta se propaga en forma gradual, a medida que la carga sigue cíclicamente. Por ultimo sucede una fractura repentina del material, cuando su sección transversal es demasiado pequeña para soportar la carga. Así, los componentes fallan por fatiga porque, aun cuando el esfuerzo general aplicado puede permanecer debajo de la resistencia de cedencia (Figura 2.23). Para que haya fatiga, al menos parte del esfuerzo del material debe de ser de tensión. Normalmente, uno se ocupa de la fatiga de materiales metálicos y polímeros. En los cerámicos no suele tenerse en cuenta la fatiga, porque estos materiales fallan debido a su baja tenacidad a la fractura. Todas las grietas de fatiga que se formen bajaran la vida útil del cerámico, porque disminuirá la tenacidad a la fractura. En general, los cerámicos se diseñan para soportar carga estática, y no cíclica, y se toma en cuenta el módulo de Weibull. 58

Figura 2.23: Fotografía de una superficie de fractura por fatiga de un eje fabricado con acero 1040. La fisura por fatiga se originó en la esquina inferior izquierda de la chavetera y se extendió casi

completamente

por

toda

la

sección

transversal antes de que ocurriera la fractura

ENSAYOS DE FATIGA Un método convencional y el más antiguo para medir la resistencia de un material a la fatiga es el ensayo de viga giratoria de voladizo (Figura 2.24). Un extremo de un espécimen cilíndrico, maquinado, se monta en unas mordazas accionadas por un motor. Del extremo opuesto se cuelga una masa. Al principio, el espécimen manifiesta una fuerza de tensión que actúa sobre la superficie superior, mientras que la superficie inferior está a compresión. Después de que el espécimen gira 90°, los lugares que originalmente estaban en tensión y comprensión, no están sometido a esfuerzo alguno. Después de media vuelta, a los 180°, el material que originalmente estaba en tensión, ahora está en comprensión y viceversa. Así, el esfuerzo en cualquier punto pasa por un ciclo senoidal completo, desde el esfuerzo máximo de tensión hasta el esfuerzo máximo de compresión.

El esfuerzo máximo que actúa sobre estos especímenes es:

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Figura 2.24: Esquema del ensayo de fatiga con el espécimen de viga giratorio en voladizo

En esta ecuación, M es el momento de flexión en la sección transversal y d es el diámetro del espécimen. El momento flexionante es M = F• (L/2) y, consecuencia,

Donde L es la distancia entre un punto de la fuerza de flexión y el soporte (Figura 2-24), F es la carga y d es el diámetro. Los nuevos aparatos para ensayos de fatiga se llaman máquinas de carga directa. En ellas, un sistema servo hidráulico, un actuador y un sistema de control, todos ellos dirigidos por computadoras, aplica la fuerza, de flexión, desplazamiento o deformación que se desee. En algunas de estas máquinas, también se puede controlar la temperatura y la atmosfera; es decir el grado de humedad. Después de una cantidad de ciclos en el ensayo de fatiga, el espécimen puede fallar. En general se ensaya una serie de especímenes con distintos esfuerzos aplicados. El resultado se presenta en forma de curva S-N, que también se llama curva de Wöhler, en donde se grafica el esfuerzo

(S) en función de la cantidad de ciclos (N) a la falla (Figura 2-25)

60

Figura 2.25: Curvas S-N, o de esfuerzo-cantidad de ciclos a la falla, para un acero herramienta y una aleación de aluminio

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UNIDAD 3 PROCESAMIENTO DE LOS MATERIALES

El procesamiento de los materiales genera la forma deseada del componente a partir de un material uniforme. Metales

Cerámicos

Polímeros

Vidrios

Fundición

Compactación

Moldeo por

Moldeo por soplo

Soldadura

Colada en pasta fluida

inyección

Extrusión

Forjado, Trefilado,

Colado continuo de suspensión

Moldeo rotatorio

Laminado, Doblado

Conformado rotatorio de pasta

Conformado

Metalurgia de polvos

Extrusión

Extrusión

Maquinado

Moldeo por inyección

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ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION DISLOCACIONES Los defectos lineales, que son unidimensionales, se denominan también dislocaciones y dan lugar a una distorsión en la red centrada alrededor de una línea imaginaria. Se puede entender una dislocación como la línea frontera que une en el interior de un cristal los puntos atómicos con posición anormal. En ocasiones también se define como el límite entre dos regiones una de las cuales se ha desplazado con respecto a la otra. Estos defectos dan en metales, casi nunca en materiales iónicos y pueden generarse durante los procesos de solidificación del sólido cristalino, como consecuencia de una deformación plástica o permanente del cristal, por condensación de vacantes y por desajustes atómicos en disoluciones sólidas. El defecto lineal suele designarse por una “T invertida” (┴), que representa el borde de un semiplano extra de átomos. Esta configuración conduce por sí misma a una designación cuantitativa sencilla, el vector de Burgers, b. Este parámetro es simplemente el vector desplazamiento necesario para cerrar un circuito realizado por paso a paso alrededor del defecto. En el cristal perfecto, un circuito con m×n pasos atómicos se cierra en el punto inicial. En la zona de la dislocación, el mismo circuito no se cierra. El vector de cierre (b) representa la magnitud del defecto estructural. Esto lo podemos ver en la Figura 3.1:

63

Figura 3.1: Definición del vector burgers, b, en: (a) una estructura cristalina perfecta donde el

circuito de vectores se cierra en el punto de partida; (b) en una estructura cristalina con una dislocación de borde donde en la zona de dislocación ese mismo circuito no cierra y es necesario un vector adicional, b; dicho vector representa la magnitud de la dislocación y se observa que es perpendicular a la línea de dislocación, t; (c) en una estructura cristalina con una dislocación de tornillo o helicoidal ; de nuevo en la zona de la dislocación el circuito de vectores no cierra y es necesario el vector de burgers, que de nuevo representa la magnitud de la dislocación; se observa que el vector burgers es perpendicular a la línea de dislocación, t.

Se distinguen dos tipos: mixtas y puras (donde se incluyen las dislocaciones de cuña o borde y las de tornillo o helicoidales): 

Puras 1. Dislocación de cuña, borde o arista.

Es un defecto lineal centrado alrededor de la línea definida por el extremo del semiplano de átomos extra (Figura 3.2). Se representa por el símbolo ┴, o “te invertida”, haciendo referencia al borde del semiplano extra. En esta posición se dice que la dislocación de cuña es en sentido positivo o lo que es los mismo, el plano extra se ha insertado en la parte superior del plano de corte. Para representar la situación opuesta, se emplea el símbolo T (dislocación de cuña negativa). La dislocación de cuña genera una zona de esfuerzos de compresión donde se encuentra el semiplano extra de planos y una región de esfuerzos de tracción debajo de este semiplano. En la dislocación de cuña, el vector de Burgers el perpendicular a la línea de dislocación.

Figura 3.2: Dislocación de borde, cuña o arista 2. Dislocación helicoidal o de tornillo.

64

Se puede formar en estructuras cristalinas perfectas por la acción de un esfuerzo cortante o de cizalladura (tangencial) sobre una de las caras hasta el deslizamiento parcial por un plano cortante (Figura 3.3). Ahora el reordenamiento atómico que se produce alrededor de la línea de dislocación da lugar a una forma de tornillo o hélice, de ahí el nombre que recibe esta dislocación. La red cristalina pasa de ser un conjunto ordenado de planos, a presentar superficies helicoidales cuyo eje vertical es la dislocación (apilamiento helicoidal de planos cristalinos en torno a la dislocación de tornillo). Se representa por el símbolo ⊗ cuando entra en el plano del papel, considerándose en este caso positiva. En caso contrario se denota por el símbolo ‫סּ‬ Aquí el vector de Burgers o de desplazamiento es paralelo a la línea de dislocación.

Figura 3.3: El cristal perfecto se corta y se intercala un plano adicional de átomos. El borde inferior del plano adicional a una dislocación de borde. Se requiere un vector de Burgers para cerrar un circuito de distancias atómicas iguales en torno a la dislocación de borde 

Mixtas

Los dos tipos de dislocaciones definidas anteriormente son formas límites. Las dislocaciones que normalmente aparecen en los materiales reales son formas intermedias entre estas dos extremas y reciben el nombre de dislocaciones mixtas. En este caso, las dislocaciones tienen componentes de dislocaciones borde y tornillo. Se muestra un ejemplo en la Figura 3.4. La línea de dislocación es de tipo tornillo puro cuando entra en la estructura cristalina y de tipo borde puro cuando sale de ella. En el interior de la estructura cristalina, la dislocación pasa a ser de tipo mixto, con componentes de borde y de tornillo. 65

Por tanto, el vector de Burgers de la dislocación mixta no es ni perpendicular ni paralelo a la línea de dislocación pero mantiene una orientación fija en el espacio, que es compatible con las definiciones previas en las formas de dislocación de borde y de dislocación helicoidal. .

Figura 3.4: Dislocaciones con componentes de tornillo y de borde



Medida de las dislocaciones

Virtualmente todos los materiales contienen algunas dislocaciones que son introducidas durante la solidificación, la deformación plástica, o como consecuencia de tensiones térmicas que resultan del enfriamiento rápido. La forma de indicar la cantidad de dislocaciones que presenta un material es mediante la densidad de dislocaciones o longitud total de dislocaciones por unidad de volumen, y se indica en unidades de cm/cm3 o sencillamente por nº de dislocaciones por cm-2. Para un metal sin deformar suele ser habitual una densidad de dislocación de 106 cm-2, duplicándose este número para el metal deformado plásticamente (en torno a 1012 cm-2). La visualización de las mismas se realiza por procesos de Microcalorimetría o Microscopía electrónica de transmisión.

66



Importancia de las dislocaciones

El proceso de deslizamiento de las dislocaciones es de especial importancia para conocer el comportamiento mecánico de los metales. En primera lugar, permite explicar el por qué el esfuerzo teórico necesario para deformar plásticamente (o permanentemente) un material, es mucho mayor que el valor necesario observado en la práctica. En efecto, el deslizamiento provocado por los movimientos de las dislocaciones, provoca una mayor facilidad de ruptura de uniones atómicas lo que implica una menor fuerza requerida para la deformación plástica del metal. Por tanto, la presencia de dislocaciones, facilita la deformación plástica de un metal y cuantos más sistemas de deslizamiento posea, mayor facilidad presentará. En segundo lugar, el deslizamiento de las dislocaciones, confiere a un metal ductilidad, propiedad relacionada con el mecanismo antes expuesto. Por último, se puede aumentar la resistencia de un metal, controlando el movimiento de sus dislocaciones. Un obstáculo introducido de forma voluntaria en el metal, impedirá que las dislocaciones se deslicen, a menos que se aplique mayor fuerza de deformación, lo que implica que el material sea más resistente. Las distintas formas de aumentar la resistencia de los metales y sus aleaciones, se basan en este hecho, aumentar el número de dislocaciones del material e impedir o anclar su deslizamiento.

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FUENTE DE FRANK READ En ciencia de los materiales, una fuente Frank-Read (Figura 3.5) es un mecanismo que explica la generación de múltiples dislocaciones en planos de deslizamiento bien espaciadas específicos en los cristales cuando se deforman. Cuando se deforma un cristal, con el fin de que se produzca deslizamiento, normalmente se generan dislocaciones en el material. Esto implica que, durante la deformación, las dislocaciones deben ser generadas en los planos

Figura 3.5: Frank Read

cristalográficos del material en cuestión. El trabajo en frío de metales aumenta el número de dislocaciones por el mecanismo de Frank-Read. Aumenta la densidad de dislocaciones mayor rendimiento fuerza y provoca endurecimiento de los metales. Fue propuesta por y nombrada en honor al físico británico Charles Frank y Thornton Read. En 1950 Charles Frank, que era entonces un becario de investigación en el departamento de física de la Universidad de Bristol, visitó los Estados Unidos para participar en una conferencia sobre la plasticidad cristalina en Pittsburgh, sin embargo Frank llegó a los Estados Unidos mucho antes de la conferencia para pasar el tiempo en un laboratorio naval y para dar una conferencia en la Universidad de Cornell; estando en dicha Universidad Frank se dispuso a leer un artículo recientemente impreso de Gunther Leibfried. Un par de días más tarde, viajó a la conferencia sobre la plasticidad cristalina en Pittsburgh, donde se encontró con Thorton Read en el vestíbulo del hotel. Al encontrarse el uno al otro, los dos científicos de inmediato descubrieron que habían llegado con la misma idea para la generación de la dislocación casi simultáneamente (Frank durante su paseo en Cornell, y Thornton Read durante el té del miércoles anterior) y decidieron escribir un documento conjunto sobre la tema. El mecanismo 68

para la generación de la dislocación se describe en ese documento que ahora se conoce como la fuente Frank-Read. La fuente Frank-Read es un mecanismo basado en la multiplicación luxación en un plano de deslizamiento bajo esfuerzo cortante. Sea un plano cristalográfico, en el cual actúa una tensión de corte resuelta de magnitud suficiente como para que una dislocación deslice. La dislocación abcd tiene un tramo, el bc (se denomina codo), que yace sobre el plano. Los tramos ab y cd yacen sobre planos en que la tensión de corte no tiene la magnitud suficiente. Por lo expuesto, sólo está en condiciones de deslizar el codo, y de éste, los puntos b y c no pueden hacerlo por ser parte de los tramos que no deslizan por falta de la tensión adecuada. En estas condiciones, el codo, que como toda línea de dislocación se comporta como una cuerda elástica, debido a su energía por unidad de longitud, se arquea como muestra la posición 1. Si observamos que el vector de Burgers es normal a toda la línea, entonces se trata originalmente de la componente de borde (incluido el codo), y recordando que una LD curva contiene tramos de borde (positivos y negativos) y helicoidales (derechas e izquierdas), ésta será la geometría del mismo. Si la tensión sigue actuando, el codo deslizará, expandiéndose y adoptando sucesivamente las configuraciones indicadas por 2, 3, 4,... en la Figura 3.6. En la última posición dibujada entran en contacto dos dislocaciones helicoidales (punto z) de distinto signo que, por lo tanto, se anulan. El resultado final, es un bucle o lazo cerrado que constituye una dislocación nueva, mientras al codo se restablece en la posición original, quedando dispuesto para seguir generando nuevas dislocaciones.

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La densidad de las dislocaciones afecta notablemente las propiedades de los materiales, un ejemplo claro es la diferencia de densidades debido a las dislocaciones pertenecientes a los metales recocidos y a los metales trabajados en frío, observamos que el conformado metálico aumenta el número de dislocaciones del metal, por lo tanto es de vital importancia el estudio de mecanismos que incrementen dichas dislocaciones.

Figura 3.6: Generación de dislocaciones de Frank Read. En la imagen de la izquierda El generador o fuente de Frank-Read es un mecanismo de generación continua de anillos de dislocación y aunque no es el único es el mejor conocido. Este generador parte de una dislocación de borde de dos puntos, a la cual se le aplica un esfuerzo cortante paralelo al vector b, generando un avance de forma radial a, por medio de dos dislocaciones de borde negativo que formarán un lazo que crecerá hasta b y c en donde acabará acercándose sobre sí mismo, pero como un segmento de la curva de dislocación es helicoidal a la derecha y el otro a la izquierda se cancelan dichos segmentos en el punto de intersección m lo que genera la ruptura del lazo en dos segmentos marcados como d uno de ellos es un anillo que crecerá hasta las extremidades del cristal y el otro genera una nueva dislocación de borde entre los dos puntos de la dislocación inicial.

Figura 3.7: Deslizamiento de las dislocaciones

70

Este mecanismo permite generar muchos anillos de dislocación sobre el mismo plano de deslizamiento siendo el principal causante de la mayoría de las dislocaciones asociadas a la deformación. La forma circular perfecta no es la única forma en la que se puede presentar la Fuente de Frank Read. Se ha encontrado en forma hexagonal y cuadrada (Figura 3.7). A pesar de ser el más conocido no es el único mecanismo para generar dislocaciones en los materiales como el grafito (Figura 3.8) y el nitruro de escandio (Figura 3.9):

Figura 3.8: Grafito

Figura 3.9: Imagen de espiral decrecimiento escandio

en

nitruro

de

ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION El Endurecimiento por deformación (también llamado endurecimiento en frío o por acritud) es el endurecimiento de un material por una deformación plástica a nivel macroscópico que tiene el efecto de incrementar la densidad de dislocaciones del material. A medida que el material se satura con nuevas dislocaciones, se crea una resistencia a la formación de nuevas dislocaciones y a su movimiento. Esta resistencia a la formación y movimiento de las dislocaciones se manifiesta a nivel macroscópico como una resistencia a la deformación plástica. 71

En cristales metálicos, el movimiento de las dislocaciones es lo que produce la deformación plástica (irreversible) a medida que se propagan por la estructura del cristal. A temperaturas normales cuando se deforma un material también se crean dislocaciones, en mayor número de las que se aniquilan, y provocan tensiones en el material, que impiden a otras dislocaciones el libre movimiento de estas. Esto lleva a un incremento en la resistencia del material y a la consecuente disminución en la ductilidad. El endurecimiento por deformación plástica en frio es el fenómeno por medio del cual un metal dúctil se vuelve mas duro y resistente a medida es deformado plásticamente. Generalmente a este fenómeno también se le llama trabajo en frio, debido a que la deformación se da a una temperatura “fría” relativa a la temperatura de fusión absoluta del metal.

El fenómeno de endurecimiento por deformación se explica así: o

El metal posee dislocaciones en su estructura cristalina.

o

cuando se aplica una fuerza sobre el material, las dislocaciones se desplazan causando la deformación plástica.

o

al moverse las dislocaciones, aumentan en número.

o

al haber más dislocaciones en la estructura del metal, se estorban entre sí, volviendo más difícil su movimiento.

o

al ser más difícil que las dislocaciones se muevan, se requiere de una fuerza mayor para mantenerlas en movimiento. se dice entonces que el material se ha endurecido.

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Distintos metales tienen diferente capacidad para endurecerse cuando se deforman plásticamente. La

misma

deformación

produce

un

endurecimiento

diferente.

Para que el endurecimiento del metal se mantenga, es necesario que las dislocaciones que fueron creadas durante la deformación se mantengan en la estructura del metal. Si se aumenta la temperatura del material hasta el grado que se permita la difusión atómica, las dislocaciones “extras” desaparecerán del material, haciendo que este recupere las propiedades mecánicas que tenía antes de ser deformado. Sabemos que la difusión se activa a una temperatura mayor que 0.4 veces la temperatura de fusión del material en grados absolutos, por lo tanto se tendrá lo siguiente: 0.4 Tm Trabajo en frio 

Existe endurecimiento por deformación.



Se crean dislocaciones y están quedan en el material.



El material endurece.

Trabajo en caliente 

No existe endurecimiento por deformación.



Se crean dislocaciones pero desaparecen por difusión.



El material endurece.

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TRABAJO EN FRIO El trabajo en frío hace referencia a todos aquellos procesos de Conformado realizado a baja temperatura generalmente ambiente. Tiene un acabado brillante y bastante exacto. Mejora la resistencia, la maquinabilidad entre otras. El endurecimiento por deformación plástica en frío es el fenómeno por medio del cual un metal dúctil se vuelve más duro y resistente a medida es deformado plásticamente. El trabajo en frío de los metales se realiza cerca de la temperatura ambiente para que la ventaja de una la resistencia a la cedencia reducida, o la presión del forjado, acompañada de elevadas temperaturas no están disponibles para ayudar en la operación de formado. Adicionalmente, los metales “con trabajo de endurecimiento”, es decir, que aumentan la resistencia a la cedencia, durante la deformación a bajas temperaturas, añaden aún más al trabajo necesario para alcanzar la forma deseada. El atractivo de formar de frío, además de los ahorros obvios del costo cuando no se requiere calor, es la mayor precisión dimensional que se puede lograr generalmente, ya que no hay la necesidad de ajustar la contracción ni la deformación térmica o distorsión, una vez que se complete el formado. Y a menudo así como importante, las partes de metal trabajadas en frío evitan también la decoloración (oxidación) de la superficie que ocurre en temperaturas más altas, así que la parte puede ser presentable a la venta y posible servicio sin un proceso posterior. La desventaja de este proceso es que es muy duro (60 Rockwell C). A continuación se procederá a dar una explicación de los procesos de deformación en frio más comunes a nivel industrial.

74

LOS PROCESOS MÁS USADOS DE MANUFACURA RELACIONADOS AL TRABAJO EN FRIO 

Laminado

El laminado es un proceso en el cual se produce una reducción en el espesor del material por medio de rodillos que ejercen una fuerza de compresión sobre este (Figura 3.10). La mayoría de los procesos de laminado

Figura 3.10: Laminado

significa una alta inversión de capital, pues estos requieren de piezas de equipo pasado llamados molinos laminadores. 

Molino de laminación básico



Molino de tres rodillos



Molino de cuatro rodillos



Molino de rodillos tándem (alta velocidad de rendimiento/usado en procesos de colada continua)

Tipos de laminado: Laminado plano; En este tipo de laminado los rodillos giran uno en frente del otro en sentido contrario al avance del trabajo para con esto jalar el material hacia ellos y al mismo tiempo ir apretándolo se usa para reducir una sección transversal rectangular este proceso está estrechamente relacionado con el laminado de perfiles Laminado de perfiles; Aquí el material de trabajo se deforma para generar un contorno en la sección transversal, de este proceso podemos encontrar los siguientes productos, vigas en I en L y canales en U; rieles para vías de ferrocarriles, barras redondas y cuadradas. El proceso se

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realiza pasando el material de trabajo por rodillos que tienen impresa la forma inversa a la que se desea. Laminado de anillos; Este proceso consiste en una deformación que lamina las paredes gruesas de un anillo para obtener un anillo de paredes más delgadas, pero de un diámetro mayor al inicial. El laminado de anillos se aplica generalmente en procesos de trabajo en frío para anillos pequeños y de trabajo caliente para anillos más grandes. Las aplicaciones más frecuentes incluyen collares para rodamiento de bolas y rodillos, llantas de acero para ruedas de ferrocarril, etc. Las paredes de los anillos no solo se limitan a formas rectas, también este proceso permite formas más complejas. Este proceso tiene como principal ventaja el ahorro de materias primas. Laminación de cuerdas; Se usa para formar cuerdas en partes cilíndricas mediante su laminación entre dados (Figura 3.11). La mayoría de las operaciones de laminado de cuerdas se realizan por trabajo en frío utilizando maquinas laminadoras de cuerdas, las que están equipadas con dados especiales que determinan la forma y tamaño de la cuerda, de estos hay dos tipos a) dados planos que se mueven alternativamente entre sí; b) dados redondos que Figura 3.11: Laminado de cuerdas con datos planos: (1) inciso del ciclo y (2) fin del ciclo giran relativamente entre sí para lograr la acción de laminado. Entre las ventajas de este proceso están la alta velocidad, mejor utilización del material, cuerdas más fuertes debido al endurecimiento del material, mejor resistencia a la fatiga y superficies más lizas.

Laminación de engranajes; Proceso de formado en frío que produce ciertos engranajes (Figura 3.12), la instalación de este es similar al de laminados de cuerdas excepto que las

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características de deformación de los cilindros o discos se orientan paralelo a su eje ( en ángulo para los engranajes helicoidales) en lugar de la espiral del laminado de cuerdas las ventajas −con el

maquinado− son las mismas que el laminado de cuerdas alta velocidad, mejor

aprovechamiento del material, mayor resistencia a la fatiga, etc.

Figura 3.12: Rodillos con diversas formas para obtener ferrocarril, vigas

rieles

de

Laminación de polvos; El polvo puede comprimirse en una operación para formar tiras de material metálico. El proceso por lo general se efectúa de manera continua o semicontinua. Los polvos se compactan entre los rodillos para formar una tira verde que se alimenta directamente a un horno de sinterizado después se enfría, se lamina y se resinteriza. Estirado de Alambres (trefilacion) El estirado es una operación donde la sección transversal de la barra, varilla o alambre se reduce a través de una abertura como se observa en la Figura 3.13. Las características generales del proceso son

Figura 3.13. Estirado continúo de alambre

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similares a la extrusión, la diferencia es que en el estirado el trabajo se jala a través del dado, mientras que la extrusión se empuja a través del dado. Aunque la presencia, en este proceso la compresión juega un papel importante ya que el metal se comprime al pasar a través de la abertura del dado. Por esto la deformación que ocurre se llama a veces comprensión indirecta. Se usa el término estirado de alambres y barras para no confundir con el estirado de láminas metálicas. La diferencia del estirado de alambre y barras es el tamaño del material que se procesa. El estirado de barras se usa para diámetros grandes, mientras que el estirado de alambres se usa para diámetros pequeños los que pueden alcanzar un diámetro de hasta un 0.001 pulgadas ó 0.03 milímetros. El estirado de barras se realiza como una operación de estirado simple, en la cual el material se tira desde la abertura del dado, al ser un material de diámetro grande su forma es generalmente recta esto limita la longitud del trabajo. Por el contrario el alambre se estira a través de rollos de alambres los que pueden medir hasta cientos de metros de longitud y pasa a través de varios dados de estirado, los que pueden ser hasta doce, este proceso se conoce como estirado continúo. El estirado se realiza generalmente como operación de trabajo en frío. Se usa más frecuentemente en para producir secciones redondas pero también se puede utilizar para estirar secciones cuadradas y de otras formas. El estirado de alambres es un proceso que provee productos comerciales como cables y alambres eléctricos, para cercas, etc. Por su lado el estirado de barra se usa para producir barras de metal para maquinado y otros procesos. Dentro de las ventajas del estirado están: un buen acabado superficial, propiedades mecánicas mejoradas, como resistencia y dureza del material, adaptabilidad para producción en masa. Las velocidades de estirado son tan rápidas como 50 (m/s) parta alambre fino. En el estirado de barras se produce una mejora en la maquinabilidad de las barras.

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Forjado Forjado es un proceso de deformación

donde

se

comprime entre dos dados el material de trabajo, usando para esto un impacto para formar la parte, este proceso

Figura 3.14: Forjado(mariz abierta y cerrada)

permite la fabricación de gran cantidad de componentes de alta resistencia para automóviles, vehículos aeroespaciales, y otras aplicaciones. También podemos ver que industrias de aceros y otros metales básicos usan el forjado para fijar la forma básica de grandes piezas para luego maquinar, obteniendo su forma y dimensiones definitivas. El forjado se lleva a efecto de distintas maneras, la mayoría de las operaciones se realiza en caliente (por arriba y por debajo de la temperatura de cristalización), dada la deformación que demanda el proceso y la necesidad de reducir la resistencia e incrementar la ductibilidad del metal de trabajo, sin embargo, el forjado en frío también es muy común para ciertos productos, la ventaja del forjado en frío es la mayor resistencia del componente que resulta del endurecimiento por deformación. Extrusión La extrusión, es un proceso formado por comprensiones el cual el metal de trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a una sección transversal, el proceso es

Figura 3.15: Extrusion (a) directa, (indirecta)

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semejante a apretar un tubo de pasta de dientes (Figura 3.15). La extrusión data de los años 1800 Las ventajas de este proceso son: 1.− se puede extruir una gran variedad de formas, especialmente con extrusión en caliente; sin embargo una laminación de la geometría es que la sección transversal debe ser la misma a lo largo de toda la parte. 2.− la estructura del grano y las propiedades de resistencia se mejoran con la extrusión en frío o caliente. 3.− son posibles tolerancias muy estrechas, en especial cuando se utilizan extrusiones en frío. 4.− en algunas operaciones de extrusión se genera poco o ningún material de desperdicio. Extrusión en frío vs extrusión caliente: La extrusión se puede realizar ya sea en frío o en caliente, dependiendo del metal de trabajo y de la magnitud de la deformación a que se sujete el material durante el proceso. Los metales típicos que se extruyen en caliente son: aluminio, cobre, magnesio, zinc, estaño y sus aleaciones. Estos mismos materiales se extruyen a veces en frío (por ejemplo, aceros de bajo carbono y aceros inoxidables). El aluminio es probablemente el metal ideal para la extrusión (en caliente y frío). La extrusión en caliente involucra el calentamiento previo del tocho a una T° por encima de su T° de cristalización. Esto reduce la resistencia y aumenta la ductilidad del metal, permitiendo mayores reducciones de tamaño y el logro de formas más complejas con este proceso.

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La extrusión en frío y la extrusión en tibio se usan para producir partes discretas, frecuentemente en forma terminada (o casi terminada). El termino extrusión por impacto se usa para indicar una extrusión fría de alta velocidad, algunas ventajas importantes de esta extrusión incluyen mayor resistencia debido al endurecimiento por deformación, tolerancias estrechas, acabados superficiales mejorados, ausencia de capas de óxidos y altas velocidades de producción. La extrusión en frío a T° ambiente elimina también la necesidad de calentar el tocho inicial.

Plegado o Doblado En el trabajo con láminas de metal el doblado se define como la deformación del metal alrededor de un eje recto, durante la operación de doblado el metal dentro del plano neutral se comprime, mientras que el metal por fuera del plano neutral se estira. El metal se deforma plásticamente, así que el doblez toma una forma permanente al remover los esfuerzos que lo causaron. El doblado produce poco o ningún cambio en el espesor de la lámina metálica.

Figura 3.16: Deformación del metal alrededor de un eje recto

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Se realiza colocando una lámina de metal sobre la cavidad de un dado y empujando el metal hacia la cavidad de este con un punzón, la forma debe aplanarse contra el dado por un sujetador de formas (Figura 3.17). Las piezas comunes que se hacen por embutido son latas de bebidas, casquillos de municiones, lavabos, utensilios de cocina y partes para carrocerías de automóviles.

Figura 3.17: Estampado Defecto del embutido El embutido es una operación más compleja que el corte o el doblado de lámina, por lo tanto hay más cosas que pueden fallar. Pueden presentarse numerosos defectos en un producto embutido, algunos de ellos son: 

Arrugamiento en la brida o pestaña



Arrugamiento en la pared.



Desgarrado



Orejeado.



Rayado superficial

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Formado por explosión

Figura 3.18: Formado por explosión: (1) disposición, (2) detonación del explosivo y (3) la onda de choque forma la parte y el penacho escapa de la superficie del agua

Involucra el uso de una carga explosiva para formar una lámina o placa de metal dentro de la cavidad de un dado (Figura 3.18). El formado con explosivos se reserva para partes grandes, típicas de la industria aeroespacial. ¿Qué se debe tener en cuenta al momento de seleccionar un material para ser trabajado en frio? Lo esencial es que el material posea una gran ductilidad, para que al momento de aplicación de carga, este no colapse produciéndose la ruptura. Analizar las propiedades que deseemos adquirir, y el ambiente de trabajo del material. ¿Qué sucede si un material trabajado en frio es expuesto a temperaturas considerablemente elevadas? Si se sobrecalienta, las dislocaciones desaparecerán del material, haciendo que este recupere las propiedades mecánicas que tenía antes de ser deformado. Al tener conocimiento de esto, nos damos cuenta que si al momento de trabajo en frio el material presenta alguna complicación que nos limite las propiedades que queremos adquirir, podemos revertir el proceso alcanzado realizándole un tratamiento térmico.

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En tiempos de crisis energética y conciencia del daño ecológico, ¿El proceso de trabajo en frio produce mayor o menor impacto ambiental que el trabajo en caliente? Si comparamos los dos tipos de procesos, se podría dar como respuesta que el proceso de trabajo en frio produce un impacto ambiental menor relacionado con el proceso de trabajo en caliente. Aunque los dos necesitan de calor para su desarrollo, el tiempo de calentamiento del trabajo en frio es menor, por lo que la emisión de gases y la quema de combustible se reducen considerablemente. ¿Para la fabricación de un elemento de carrocería de un automóvil, que sería preferible; construirla por partes y solar, o aplicar un proceso de forjado? Si consideramos que la pieza trabajará bajo esfuerzo, sería preferible optar por un proceso de trabajo en frio, primero, por el ahorro de material y tiempo, y segundo, evitamos las posibles fallas que podría presentar la soldadura, ahora, si contamos con una tecnología avanzada en donde robots estén a cargo del procesos de soldadura, evitamos el error factor humano y aseguramos la calidad de la soldadura. La finalidad de los procesos en frio es otorgar una mayor resistencia al material, por ende, sería apropiado para este elemento mecánico trabajarlo en frio.

CURVAS ESFUERZO-DEFORMACIÓN La curva usual Esfuerzo - Deformación (llamada también convencional, tecnológica, de ingeniería o nominal), expresa tanto el esfuerzo como la deformación en términos de las dimensiones originales de la probeta (Figura 3.19), un procedimiento muy útil cuando se está interesado en determinar los datos de resistencia y ductilidad para propósito de diseño en ingeniería.

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Figura 3.19: Curva esfuerzo-deformación

a) Límite de proporcionalidad: Se observa que va desde el origen O hasta el punto llamado límite de proporcionalidad, es un segmento de recta rectilíneo, de donde se deduce la tan conocida relación de proporcionalidad entre la tensión y la deformación enunciada en el año 1678 por Robert Hooke. Cabe resaltar que, más allá la deformación deja de ser proporcional a la tensión. b) Limite de elasticidad o limite elástico: Es la tensión más allá del cual el material no recupera totalmente su forma original al ser descargado, sino que queda con una deformación residual llamada deformación permanente. c) Punto de fluencia: Es aquel donde en el aparece un considerable alargamiento o fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que, incluso, puede disminuir mientras dura la fluencia. Sin embargo, el fenómeno de la fluencia es característico del acero al carbono, mientras que hay 85

otros tipos de aceros, aleaciones y otros metales y materiales diversos, en los que no manifiesta. d) Esfuerzo máximo: Es la máxima ordenada en la curva esfuerzo-deformación. e) Esfuerzo de Rotura: Verdadero esfuerzo generado en un material durante la rotura.

SOLIDIFICACION DE LOS MATERIALES SOLIDIFICACION DE METALES INTRODUCCION E IMPORTANCIA TECNOLOGICA DE LOS METALES La capacidad de usar el fuego para producir, fundir y colar metales como el cobre, bronce y acero se considera como un mito importante en la evolución de la especie humana. El uso del fuego para reducir los minerales naturales y obtener metales y aleaciones condujo a la producción de herramientas y otros productos útiles. Mediante el proceso de vaciado, cada año se producen varios millones de libras de acero, aleaciones de aluminio, cobre y zinc. Por lo anterior, la solidificación es una tecnología extremadamente importante para controlar las propiedades de productos derivados de la fusión y también como medio para fabricar materiales modernamente diseñados. Cuando se solidifica una pieza metálica vaciada, las impurezas en el material fundido y en las paredes del molde en el que se hace la solidificación actúan como sitios de nucleación heterogénea.

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A veces se introducen intencionalmente partículas nucleantes en el líquido, conocidos como prácticas de refinamiento del grano o inoculación. Las sustancias que se agregan a los metales fundidos para promover la nucleación y en consecuencia un tamaño más fino de grano, se llaman refinamiento de grano o inoculantes. Por ejemplo, muchas aleaciones liquidas de aluminio se les agrega una combinación de 0.03% de Titanio (Ti) y 0.01% de Boro (B); se forman partículas diminutas de Aluminio Titanio (Al3Ti) o de diboruro de Titanio (TiB2) y sirven como sitios para nucleación heterogénea. La refinación del grano o inoculación produce mayor cantidad de granos, cada uno de los cuales comienza a crecer a partir de un núcleo. Una mayor superficie de límite de grano proporciona endurecimiento por tamaño de grano a los materiales metálicos. En los materiales metálicos, los límites de grano o la formación de precipitados ultrafinos de una segunda fase, pueden resistir el movimiento de las dislocaciones. El endurecimiento de los materiales con precipitados ultrafinos se llama endurecimiento por dispersión o por segunda fase; se utiliza ampliamente para mejorar las propiedades mecánicas de muchas aleaciones.

Figura 3.20: Etapas en la solidificación de metales: a) formación de núcleos; b) crecimiento de los núcleos hasta formar cristales y c) unión de cristales hasta formar granos y límites de granos asociados

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MECANISMO DE NUCLEACION Los dos mecanismos principales por los que tiene lugar la nucleación de partículas sólidas en un metal líquido (Figura 3.20), son: la nucleación homogénea y la nucleación heterogénea.

NUCLEACIÓN HOMOGÉNEA Se considera en primer lugar la nucleación homogénea porque es el caso más simple de nucleación. La nucleación homogénea tiene lugar en el líquido fundido cuando el metal proporciona por sí mismo los átomos que se requieren para formar los núcleos. Considérese el caso de un metal puro solidificando. Cuando un metal líquido puro se enfría lo suficiente por debajo de su temperatura de equilibrio de solidificación, se crean numerosos núcleos homogéneos mediante el movimiento lento de los átomos que se unen entre sí. La nucleación homogénea suele requerir de un nivel alto de subenfriamiento que puede llegar a ser de varios cientos de grados centígrados para algunos metales. Para que un núcleo estable pueda transformarse en un cristal debe alcanzar un tamaño crítico. Una agrupación de átomos enlazados entre sí con un tamaño menor al tamaño crítico, se llama embrión; y otra que sea mayor que el tamaño crítico, se llama núcleo. A causa de su inestabilidad, los embriones se forman y redisuelven constantemente en el metal fundido, debido a la agitación de los átomos.

NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA La nucleación heterogénea es la que tiene lugar en un líquido sobre la superficie del recipiente que lo contiene, las impurezas insolubles u otros materiales estructurales disminuyen la energía libre necesaria para formar un núcleo estable. Dado que en las operaciones de fundición industrial no se producen grandes subenfriamientos, normalmente varían entre 0.1 y 10°C, la nucleación es heterogénea y n o homogénea. 88

Para que ocurra la nucleación heterogénea, el agente de nucleación sólido (impureza sólida o recipiente) debe ser mojado por el metal líquido. También el líquido debe solidificar fácilmente en el agente de nucleación. En la Figura 3.21 se muestra un agente de nucleación (sustrato) humedecido por el líquido a solidificar, lo cual crea un pequeño ángulo de contacto

_ entre el metal sólido y el agente de nucleación. La nucleación heterogénea ocurre sobre el agente de nucleación porque la energía superficial para formar el núcleo estable es inferior a que si el núcleo se formara en el propio líquido puro (nucleación homogénea). Al ser menor la energía superficial para nucleación heterogénea, el cambio de energía libre total para la formación de un núcleo estable deberá ser también menor y también será menor el tamaño del núcleo crítico. De esta forma, se requiere menor subenfriamiento para producir un núcleo estable por nucleación heterogénea.

Figura 3.21: Nucleación heterogénea de un sólido en un agente de nucleación. na = agente de nucleación, SL = solido-liquido, S = solido, L = liquido; Ø = ángulo de contacto

MECANISMO DE CRECIMIENTO Una vez que se forman los núcleos solidos de una fase (en un líquido o en otra fase solida), comienza el crecimiento conforme se fijan más átomos a la superficie del sólido (Figura 3.20). En esta descripción, nos concentraremos en la nucleación y el crecimiento de cristales en el

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líquido. La naturaleza del crecimiento de los núcleos solidos depende de cómo se elimina el calor de3l material fundido. En el proceso de solidificación se debe eliminar dos clases de calor: el calor específico del líquido y el calor latente de fusión. El calor específico es el que se requiere para cambiar un grado de temperatura de un peso unitario del material. Primero, se debe eliminar el calor específico, ya sea por radiación a la atmosfera cercana o por conducción hacia el molde que lo rodea, hasta que el líquido se enfría a su temperatura de solidificación. No es más que enfriar el líquido de una temperatura hasta la temperatura a la cual comienza la nucleación. Se debe eliminar el calor latente de fusión de la interfaz solido-líquido para que se complete la solidificación.

CRECIMIENTO PLANAR Cuando un líquido bien inoculado(es decir que contenga agentes nucleantes) se enfría bajo condiciones de equilibrio, no hay necesidad de subenfriarlo porque puede presentarse la nucleación heterogénea. Toda pequeña protuberancia que comienza a crecer en la interfaz está rodeada de líquido a mayor temperatura que la solidificación. Entonces se detiene el crecimiento de la protuberancia hasta que se empareje con el resto de la interfaz. A este mecanismo de crecimiento se le llama crecimiento plano y se efectúa por el movimiento de una interfaz solida-liquida lisa hacia el líquido.

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CRECIMIENTO DENDRITICO Cuando el líquido no se inocula y la nucleación es mala, se debe subenfriar el líquido para que se forme el sólido. Bajo estas condiciones, una pequeña protuberancia llamada dendrita(Figura 3.22) la cual se forma en la interfaz puede incrementar su crecimiento, porque el líquido por delante del frente de solidificación esta subenfriado.

Figura 3.22: Dendritas sólidas

Al crear la dendrita solida el calor latente de fusión pasa hacia el líquido subenfriado elevando su temperatura hacia la temperatura de solidificación. También puede formarse brazos secundarios y terciarios de dendrita sobre los tallos primarios para acelerar el desprendimiento del calor latente. El crecimiento dendrítico continúa hasta que el líquido subenfriado se calienta a la temperatura de solidificación. Después, todo el líquido se solidifica por crecimiento plano. La diferencia entre el crecimiento dendrítico y plano aumenta por distintos sumideros del calor latente de fusión. El molde debe absorber el calor en el crecimiento plano pero el líquido subenfriado absorbe el calor en el crecimiento dendrítico.

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EL TIEMPO DE SOLIDIFICACIOON Y TAMAÑO DE DENDRITA La rapidez con que se efectúa el crecimiento del solido depende de la velocidad de enfriamiento es decir, la rapidez de extracción del calo. Una velocidad de crecimiento produce una solidificación rápida o tiempos cortos de solidificación. El tiempo requerido para que se solidifique una pieza colada simple se puede calcular con la regla de Chvorinov:

Dónde: V= Volumen de la pieza y representa la cantidad de calor que debe eliminarse para que aya solidificación. A= Es la superficie de la pieza en contacto con el molde y representa la superficie desde la cual se puede disipar el calor de las pieza. n= Es una constante (por lo general aproximadamente 2). B= Es la constante del molde Esta constante depende de las propiedades de las temperaturas iniciales, tanto del metal como el del molde. La solidificación comienza con la superficie, donde el calor se disipa hacia el material del molde que lo rodea.

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EFECTOS SOBRE LA ESTRUCTURA Y PROPIEDADES El tiempo de solidificación afecta el tamaño de las dendritas. Normalmente el tamaño de una dendrita se caracteriza midiendo la distancia entre sus brazos secundarios. La distancia entre los brazos dendríticos secundarios, se reduce cuando la pieza se solidifica con mayor rapidez. El proceso de solidificación rápida se usa para producir distancias entre brazos de dendrita secundaria excepcionalmente pequeños; un método común consiste en producir gotitas liquidas finas que se congelan formando partículas sólidas. A este proceso se le llama atomización.

ESTRUCTURA DE LA PIEZA COLADA

Figura 3.23: Fundición y lingotes de oro En la fabricación de una mezcla de componentes por el proceso de fusión o vaciado, los metales fundidos se vierten en moldes y se dejan solidificar como se muestra en la Figura 3.23. El molde produce una forma final llamada lingote.

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ZONA DE ENFRIAMIENTO RAPIDO Es una banda angosta de grano de orientación aleatoria de la superficie de la pieza. El metal en la pared del molde es el primero que llega a la temperatura de solidificación. Además, la pared del molde proporciona muchas superficies en la cual tiene lugar la nucleación heterogénea. ZONA COLUMNAR La zona columnar contiene granos alargados orientados en determinada dirección cristalográfica. Los granos crecen con más rapidez en direcciones cristalográficas; al final tienen direcciones que son paralelas entre sí, que proporciona propiedades anisotropicas a esta zona. La formación de la zona columnar determinada proporcionalmente por los fenómenos de crecimiento y no por los de nucleación.

ZONA EQUIAXICA Aunque el sólido puede continuar creciendo en forma columnar hasta que se solidifique todo el liquido, frecuentemente se forma una zona equiaxica con el centro de la pieza colada o lingote. La zona equiaxica contiene nuevos granos orientados

al azar, frecuentemente a

causa de una baja temperatura de vaciado, de la presencia de elementos de aleación o agentes para refinamiento de granos o inoculantes. Estos granos crecen en forma relativamente redonda y se detienen el crecimiento de los granos columnares. La formación de la zona equiaxica es un proceso controlado por nucleación y hace que esa parte de la pieza muestre comportamiento isotrópico. El cambio de zona columnar equiaxica queda casi en las paredes del molde.

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SOLIDIFICACION DIRECCIONAL, CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES Y CRECIMIENTO EPITAXIAL La solidificación direccional, es un proceso, en el que el molde se caliente en un extremo y se enfría en otro para producir una, microestructura columnar, con todos los límites de granos en la dirección longitudinal de la parte. Se obtienen propiedades todavía mejores aplicando la técnica de mono cristal.

CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES: Es una de las aplicaciones importantes de la solidificación. Los hornos de crecimiento de cristales que contienen los materiales fundidos se pueden mantener a una temperatura precisa y establece. Frecuentemente se usa como semilla un cristal pequeño con orientación cristalográfica predeterminada. Se controla la transferencia de calor para que todo el material fundido cristalice en un mono cristal. Normalmente los monocristales (Figura 3.24) tienen propiedades muy mejoradas, controladas y predecibles.

Figura 3.24: Monocristales

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CRECIMIENTO EPITAXIAL: Si la coincidencia cristalina entre el sustrato y la película es buena (de una diferencia porcentual pequeña) es posible hacer crecer películas delgadas altamente orientadas o de mono cristal (Figura 3.25). A Este proceso se le llama epitaxico.

Figura 3.25: Crecimiento epitaxial Cuando se hacen crecer películas delgadas de un material sobre el sustrato del mismo material, el proceso se llama hemoepitaxia. Cuando se hacen crecer películas delgadas poli cristalinas muy orientadas o de mono cristal sobre otro material que proporciona sitios de nucleación heterogénea, el proceso se llama heteroepitaxia.

COLADA CONTINUA Y VACIADO DE LINGOTES El vaciado es un medio que se usa en la fabricación de componentes. También es un proceso para producir lingotes que se pueden seguir procesando para obtener diversas formas como barras, varillas, alambres, etc.

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En el vaciado de lingotes, los aceros o las aleaciones fundidas que se obtienen en un horno se vacían en moldes grandes. Las piezas que se obtienen se llaman lingotes y se procesan después para convertirlos en formas útiles mediante procesamiento termo mecánico, frecuentemente en otro lugar. En el proceso de colada continua, la idea es pasar desde un material metálico fundido hasta una forma más útil o semideterminada. La colada continua es económica para procesar muchos aceros, aceros inoxidables y aluminio. También es económico el vaciado en lingotes y se usa en aceros cuando no se dispone de una máquina de colada continua.

DEFECTOS DE LA SOLIDIFICACION Aunque son muchos los defectos que potencialmente se pueden generar durante la solidificación, la contracción y la porosidad merecen mención especial. Si una pieza contiene poros (agujeros pequeños) como lo muestra la Figura 3.26, esa pieza puede fallar catastróficamente si se usa en aplicaciones de carga.

Figura 3.26: Ejemplo de piedra que presenta porosidad

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CONTRACCION Casi todos los materiales son más densos en estado sólido que en estado líquido. Durante la solidificación, se contrae o encoge hasta un 7%. La mayor parte de la contracción produce cavidades, si la solidificación comienza en todas las superficies de la pieza, o rechupes, si una superficie se solidifica con más lentitud que las demás. La presencia de estos rechupes puede ocasionar problemas e incluso hasta explosiones. Una técnica común para controlar las cavidades y los rechupes es poner una mazarota, que es un depósito adicional de metal adyacente y comunicado con la pieza vaciada. Al solidificarse la pieza y contraerse, el metal liquido pasa de la mazarota a la pieza para ocupar el hueco de contracción. Solo debemos asegurarnos de que la mazarota se solidifique después de la pieza; y de que exista un canal interno de líquido que conecte al líquido de la mazarota con el último liquido en solidificarse en la pieza.

CONTRACCION INTERDENDRITICA Consiste en pequeños poros de contracción entre dendritas. Es también llamado micro porosidad, es difícil de evitar usando mazarotas. Las altas velocidades de enfriamiento pueden reducir los problemas de contracción interdendritica.

SOPLADURAS O POROSIDAD DE GAS El exceso de hidrogeno que no puede incorporarse en la estructura cristalina del metal o la aleación solida forma burbujas que pueden quedar atrapadas en el metal sólido, produciendo porosidades de gas o sopladuras (Figura 3.27). La cantidad de gas que se puede disolver en el metal fundido se determina con la ley de sievert: 98

P = K·p1/2 Dónde: P= Es la presión parcial del gas en contacto con el metal. K= Es una constante que para determinado sistema de metal y gas aumenta al aumentar la temperatura.

Figura 3.27: Porosidad del metal a causa de gases

Se pueden minimizar las sopladuras en las piezas coladas manteniendo baja la temperatura del líquido o agregando al líquido materiales que se combinen con el gas y formen un líquido o asegurando que la presión parcial del gas se mantenga baja. El lavado con gas o burbujeo es un proceso en el que se inyectan burbujas de un gas, que puede ser inerte o reactivo, en un metal fundido, para eliminar elementos indeseables en él.

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SOLIDIFICACION DE MATERIALES CERAMICOS Los materiales cerámicos son aquellos materiales químicamente definidos como inorgánicos y no metálicos. Las estructuras estables de los materiales cerámicos se forman cuando los aniones que rodean un catión están todos en contacto con el catión tal como se muestra en la Figura 3.28.

Figura 3.28: Configuraciones estables e inestables de la coordinación entre aniones y cationes

ESTRUCTURA CERÁMICA En los materiales cerámicos existe una dificultad a la difusión dado el tipo de enlace ya que la base o unidades estructurales que se desplazan están formadas por varios átomos y no por uno como en el caso de los metales (Figura 3.29). Esta dificultad promueve unidades estructurales desordenadas formando estructuras amorfas.

Figura 3.29: Estructura de material cerámico

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HIDROPLASTICIDAD Las arcillas contienen muchas fases, pero la más importante es la arcilla mineral, como la caolinita, que le confiere la plasticidad. El polvo obtenido tiene una buena plasticidad y su humedad varía según el método de conformado a usar, pero su resistencia es baja debido a que el conformado se hace en verde. También se utilizan sílice y feldespatos (usados como fundentes). Se hacen muy plásticos, (propiedad que se denomina hidroplasticidad)

IMPERFECCIONES EN LAS CERAMICAS En los compuestos cerámicos pueden existir defectos atómicos que involucran los átomos del disolvente. Catión intersticial: se le denomina defecto FRENKEL, está formado por un par que incluye una vacante catiónica y un catión intersticial. Vacante catiónica: conocido como defecto SCHOTTKY, es un par vacante catiónica-vacante anionica.

PROCESAMIENTO DE LOS MATERIALES CERÁMICOS CONFORMADO Existen diversas técnicas, y la que se elija depende del material y de la forma, el tamaño y las propiedades que se deseen para el componente terminado. Las principales clasificaciones de las técnicas de conformado son en seco y en húmedo.

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Moldeo en barbotina o colado. En un molde de escayola o yeso (figura 3.30); se vierte una mezcla de arcilla y agua llamada barbotina (figura 3.31) el molde absorbe el agua de la pasta, que forma una capa delgada en su cara interna.

Figura 3.30: Moldeo de escayola

Las piezas pueden alcanzar un 9% de humedad, necesitando un secado previo a la cocción.

Figura 3.31: Proceso de moldeo en barbotina para piezas macizas y huecas

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MOLDEO POR PRESIÓN Se utiliza una pasta líquida a presión para aumentar la velocidad de formación de las piezas. No se utilizan moldes de escayola, ya que carecen de la resistencia y estabilidad necesarias a estas temperaturas y presiones. Las piezas suelen salir con aproximadamente 7% de humedad. PRENSADO DE POLVO Existen tres procedimientos básicos de prensado polvo. Uniaxial: El polvo se compacta en una matriz metálica mediante presión, aplicada en una sola dirección. Isostático: El material en polvo está contenido en un encapsulado de goma y la presión se aplica isostáticamente mediante un fluido (es decir, tiene la misma magnitud en todas direcciones). SECADO Durante el secado, el control de la velocidad de eliminación de agua es crítico. A medida que un cuerpo cerámico de arcilla se seca, también experimenta contracción. En las primeras etapas de secado, las partículas de arcilla están rodeadas por una película muy fina de agua. A medida que el secado progresa y se elimina agua, la distancia entre partículas disminuye, lo cual se pone de manifiesto en forma de una contracción. El secado en la parte interna de un cuerpo se realiza por difusión de moléculas de agua hasta la superficie, donde ocurre la evaporación. SINTERIZADO Es la transformación de un producto poroso en compacto, en los casos que no se desea la vitrificación en vez de ello se consigue la resistencia deseada mediante la difusión.

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COCCION Después del secado, generalmente el cuerpo es cocido a temperaturas entre 900 y 1400°C (1600 y 2550°F) la temperatura de cocción depende de la composición y de las propiedades deseada de la pieza terminada.

MATERIALES SEMICONDUCTORES PROCESO CZOCHRALSKI El proceso o método de Czochralski consiste en un procedimiento para la obtención de lingotes monocristalinos. Fue desarrollado por el científico polaco Jan Czochralski. Este método es utilizado para la obtención de silicio mono cristalino mediante un cristal semilla depositado por un baño de silicio (Figura 3.32). Es de amplio uso en la industria electrónica para la obtención de wafers u obleas, destinadas a la fabricación de transistores y circuitos integrados. Para tener una idea de la funcionalidad que tiene este proceso en la industria microelectrónica. Cada chip creado de estas obleas miden 8mm de lado, esto hace que en cada oblea tengamos de 120 a 130 circuitos. Cada oblea es tratada de forma que todos los circuitos se hacen a la vez, pasando por el mismo proceso en el mismo instante. El método consiste en tener un crisol (generalmente de cuarzo) que contiene el semiconductor fundido, por ejemplo germanio. La temperatura se controla para que esté justamente por encima del punto de fusión y no empiece a solidificarse. En el crisol se introduce una varilla que gira lentamente y tiene en su extremo un pequeño mono cristal del mismo semiconductor que actúa como semilla. Al contacto con la superficie del semiconductor fundido, éste se agrega a la semilla, solidificándose con su red cristalina orientada de la misma forma que 104

aquella, con lo que el mono cristal crece. La varilla se va elevando y, colgando de ella, se va formando un mono cristal cilíndrico. Finalmente se separa el lingote de la varilla y pasa a la fusión por zonas para purificarlo. Al controlar con precisión los gradientes de temperatura, velocidad de tracción y de rotación, es posible extraer un solo cristal en forma de lingotes cilíndricos. Con el control de esas propiedades se puede regular el grosor de los lingotes. La ocurrencia de situaciones de inestabilidad no deseada en la masa fundida se puede evitar mediante la investigación y la visualización de los campos de temperatura y la velocidad durante el proceso de crecimiento de cristales. Cuando la temperatura asciende, el propio lingote se va fundiendo, pero si desciende, se forman agregados que no son monocristalinos. Este proceso se realiza normalmente en una atmósfera inerte, como argón, y en una cámara inerte, como cuarzo. Ventajas. El crecimiento de una superficie libre (tan opuesta a la solidificación en una configuración confinada) acomoda la expansión volumétrica sin mayor problema, esto elimina complicaciones que podrían surgir cuando el fundente moje el contenedor. Por este método se pueden obtener mono cristales grandes a altas velocidades. Actualmente el diámetro de los cristales puede variarse cambiando los parámetros térmicos. También puede alcanzarse alta perfección cristalina. Limitaciones A pesar de que el crecimiento Czochralski puede llevarse a cabo bajo presiones moderadas, éste no se presta para el crecimiento de materiales cuya presión de vapor o cuando uno de sus constituyente sea alto en el punto de fundición.

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Las dificultades primarias están asociadas con problemas del manejo de la rotación y el jalado del cristal y con los requerimientos de la configuración térmica para mantener el equilibrio termodinámico entre el vapor y el fundente. Requerir un crisol en crecimiento Czochralski presenta peligro de contaminar el fundente. Además que este método no se presta para crecimiento continuo.

Figura 3.32: Crecimiento continuo Czochralski

FUSIÓN POR ZONAS La Fusión por zonas es un método que permite purificar los lingotes de un semiconductor. Se basa en que las impurezas se disuelven en el semiconductor fundido. Luego, si una zona fundida avanza por el lingote, las impurezas se irán concentrando en ella, quedando a su paso el semiconductor purificado. La fusión por zonas se realiza en un crisol (Figura 3.33) de cuarzo que se mueve con respecto a una bobina de inducción, por la que circula corriente de radiofrecuencia que induce corrientes de Foucault en el semiconductor, llegando a fundirlo, por efecto Joule. Al ir 106

avanzando la bobina, la zona fundida también lo hace, arrastrando consigo las impurezas, mientras el semiconductor se recristaliza al enfriarse. Se suelen realizar varias pasadas y, al final, se corta el extremo que contiene las impurezas acumuladas. Mediante este método se consigue una concentración de impurezas en el lingote tratado, que puede llegar a ser menor de una parte por millón. La bobina suele estar construida con tubo de cobre, por cuyo interior circula agua para refrigerarla.. No todas las impurezas se eliminan fácilmente. El oxígeno, por ejemplo, es muy difícil de separar del silicio. Por ello se procura que la purificación química previa no añada oxígeno. La mayor o menor facilidad para separar los átomos de un elemento determinado se llama índice de segregación de ese elemento. Cuanto mayor sea, más fácil es que la fusión por zonas separe este elemento.

Figura 3. 33: Representación de un crisol para fusión por zonas

107

MATERIALES POLÍMEROS. CRISTALINIDAD Y ESTEREOISOMERÍA DE TERMOPLÁSTICOS. Cuando solidifican los termoplásticos desde el estado líquido pueden formar un sólido no cristalino o un sólido cristalino. Si repasamos la solidificación y enfriamiento lento de termoplásticos no cristalinos o semicristalinos se produce, como se observa en la Figura 3.34, un descenso del volumen especifico con la disminución de temperatura que presenta un cambio de pendiente a una temperatura característica del material que recibe el nombre de temperatura de transición vítrea, Tg, por encima de la cual el polímero presenta un comportamiento viscoso (gomoso, elástico), y por debajo un comportamiento de vidrio quebradizo.

Figura

3.34:

enfriamiento

de

Solidificación

y

termoplásticos

no

cristalinos y parcialmente cristalinos con cambio de volumen específico con la temperatura.

Esta rápida disminución se debe al empaquetamiento de las cadenas poliméricas en las regiones cristalinas del material, ya que la estructura del material está compuesta por regiones cristalinas inmersas en una matriz amorfa de líquido subenfriado, que por debajo de Tg pasa al estado vítreo, quedando la estructura formada por regiones cristalinas inmersas en una matriz

amorfa

vítrea.

108

Aunque la forma exacta en la que las moléculas de polímeros se ordenan en estructuras cristalinas no está perfectamente conocida, si que se conocen perfectamente diferentes distribuciones estructurales para polímeros de idéntica composición química. Si tomamos como ejemplo el polipropileno, pueden existir tres formas estereoisómeras diferentes, tal como se aprecia en la Figura 3.35:

Figura 3.35: Estereoisómeros del polipropileno: a) Isómero atáctico, isotáctico,

b) y

isómero c)

isómero

sindiotáctico.

1)

Estereoisómero atáctico. Los grupos metilo del polipropileno están dispuestos de forma aleatoria a un lado y otro de la cadena principal.

2)

Estereoisómero isotáctico. Los grupos metilo se encuentran siempre en el mismo lado de la cadena principal.

3)

Estereoisómero sindiotáctico. Los grupos metilo sustituyentes están distribuidos alternativamente en uno y otro lado de la cadena principal.

De los tres, es el isotáctico el que a escala industrial se produce mayoritariamente puesto que su alta cristalinidad hace que presente mejores resistencias en general y en particular al calor que los otros estereoisómeros.

109

TERMOPLÁSTICOS DE INTERÉS EN INGENIERÍA De todos ellos son el PE, PVC, PP y PS los que cubren casi el 70% del consumo total en materiales plásticos. Sus aplicaciones de uso general se basan en exigencias que no precisen propiedades muy especiales y de bajo coste, por ejemplo temperaturas de trabajo no superiores a 120ºC, así como bajos valores de densidad.

POLIETILENO: Existen dos tipos de PE, el de baja densidad, LDPE y el de alta densidad, HDPE. El de baja se caracteriza por tener una estructura de cadena ramificada, menor grado de cristalinidad y densidad, mientras que el de alta presenta generalmente una estructura de cadena lineal, con mayor cristalinidad y más alta resistencia. La estructura de la cadena del PE se esquematiza en la figura 3.36, así como algunas de sus propiedades.

Figura 3.36: Estructura de cadena y propiedades más significativas de diferentes tipos de PE. a) Alta densidad. b) Baja densidad. Este termoplástico es el más ampliamente empleado, mas del 30% del total, y sus propiedades más sobresalientes son: Gran tenacidad a temperatura ambiente y bajas temperaturas. Resistencia mecánica suficiente para las aplicaciones de producción.

110

Buena flexibilidad en un amplio rango de temperaturas. Excelente resistencia a la corrosión. Muy buenas propiedades aislantes. Inodoro e insípido. CLORURO DE VINILO: Es el segundo en importancia basado en su alta resistencia química y su facilidad para mezclarse con numerosos aditivos que dan lugar a un elevado número de compuestos

de

gran

variedad

de

propiedades

físicas

y

químicas.

La presencia del átomo de Cl, voluminoso y con gran electronegatividad, produce un material amorfo y no cristalizable, con fuertes uniones cohesivas producidas por los intensos momentos dipolares creados por los Cl y de cierta rigidez molecular que dificulta su procesado. Es por ello que precise la acción de aditivos que permitan su procesado. Los aditivos utilizados son plastificantes, derivados del ftalato, estabilizadores de calor para impedir su degradación, compuestos organometálicos de Sn, Pb, Ca y Zn; lubrificantes, ceras, ésteres grasos, cargas o productos de relleno, carbonato cálcico y pigmentos para dar color, opacidad, impermeabilidad.

POLIPROPILENO: Este plástico resulta interesante por su bajo precio al obtenerse de derivados petroquímicos. La incorporación a la cadena de PE de un grupo CH3 restringe el movimiento de la cadena resultando un material más resistente y rígido, que aumenta la Tg y la temperatura de fusión. Entre sus propiedades más significativas destacan: Buena resistencia química a la humedad y calor. Baja densidad (0,90-0,91 g/cm3).

111

Buena dureza superficial. Buena estabilidad dimensional. Flexibilidad notable.

POLIESTIRENO: Este material incorpora la presencia de un anillo de fenilo que proporciona una configuración con fuerte impedimento estérico de gran rigidez, fácilmente procesable pero relativamente frágil y quebradizo. La fragilidad se mejora por copolimerizaciones con polibutadieno. En general acaban degradándose y son muy sensibles al ataque químico por disolventes

orgánicos.

Resultan especialmente interesantes los derivados de su copolimerización con acrilonitrilos (incorporan el grupo CN) que se conocen con las siglas SAN, amorfos, con grupos de gran polaridad que presentan fuerzas atractivas por puentes de hidrógeno entre las cadenas. Estos tienen alta resistencia química, superior tenacidad, son duros y rígidos, exhibiendo la transparencia y claridad del PS.

ABS: Son los derivados del acrilonitrilo-butadieno-estireno. Estos materiales son conocidos por la optimización de propiedades que presentan como la tenacidad, solidez mecánica combinada con su fácil procesabilidad.

ACRILICOS: El polímero más extendido de este grupo es el polimetacrilato de metilo, PMMA, que es un termoplástico duro, rígido, transparente y de buena resistencia atmosférica. Se conoce con el nombre comercial de Plexiglas o Lucite. La presencia de los grupos metilo y metacrilato sobre el mismo carbono de la cadena determina un impedimento

112

estérico importante, por lo que es rígido y relativamente fuerte, dotado de una alta resistencia química, alta transparencia y completamente amorfo.

FLUORPLASTICOS: Presentan uno o más átomos de F en el monómero lo que proporciona unas propiedades muy especiales, destacando su uso como aislante, y sus excelentes propiedades

autolubricantes

por

su

bajo

coeficiente

de

fricción.

El polímero más extendido es el politetrafluoretileno, PTFE o teflón. Presenta alta cristalinidad y densidad, 2,13-2,19 g/cm3, resistencia excepcional a los disolventes orgánicos, es particularmente apto para usos criogénicos, -200°C, aunque sus propiedades resistentes son relativamente bajas cuando se compara con otros plásticos.

DEFORMACIÓN DE POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS En primer lugar recordemos los factores que más influyen en la resistencia de un material termoplástico, dejando para la segunda parte del tema la adición de refuerzos. 1 - Peso molecular medio. Este parámetro no se suele emplear para el control de las propiedades resistentes de polímeros, ya que una vez conseguida la masa molecular suficiente para que se produzca un sólido estable, no hay un aumento notable de la resistencia, tal como se observa en la Tabla 3.1

113

Tabla 3.1

Masas moleculares y grados de polimerización de termoplásticos

2 - Naturaleza de los grupos funcionales de la cadena. La dificultad de movimiento de las cadenas, así como su deslizamiento se dificulta a medida que se incorporan grupos laterales de la cadena principal de carbono, incrementándose a medida que estos son más voluminosos, aumentando su rigidez y resistencia pero reduciendo su ductilidad, tal como se observa en la tabla 15.1. El mismo efecto produce la introducción de átomos de O, N y S en la cadena principal

de

carbono,

así

como

anillos

del

tipo

fenilo.

3 - Grado de cristalinidad. Este factor afecta notablemente la resistencia, puesto que a medida que aumenta lo hacen la resistencia a tracción, modulo de elasticidad y densidad, tal como se observa en la Figura 3.37.

Figura 3.37: Curvas tensión-deformación para PE de alta y baja densidad

114

Antes de explicar el diferente comportamiento de materiales termoplásticos recordemos como se deforman bajo la acción de tensiones. Una curva característica de un termoplástico aparece reflejada en la Figura 3.38, que indica la forma en que las cadenas se mueven y que distingue a estos materiales, especialmente cuando se compara este gráfico con el de metales dúctiles como el aluminio en el cual la tensión disminuye rápidamente cuando comienza la zona de plasticidad.

Figura 3.38: Curvas típica tensión deformación de materiales termoplásticos

Los termoplásticos se deforman fundamentalmente por deformación elástica por debajo de su temperatura de transición vítrea, aumentando su resistencia y por encima de esta temperatura la deformación es de tipo plástico, disminuyendo la resistencia y aumentando las características dúctiles, como puede observarse en la representación de la Figura 3.39 para el PMMA ensayado desde -40ºC a 68ºC, experimentando una transición dúctil-frágil entre los 86 y 104ºC, que corresponde a su transición vítrea.

Figura 3.39: Curvas tensión-deformación para el PMMA a diferentes temperaturas.

115

Los mecanismos que rigen el comportamiento de los polímeros termoplásticos vienen esquematizados en la Figura 3.40, siendo básicamente el alargamiento de la cadena principal, su desenrollado y el deslizamiento de las mismas.

Figura 3.40: Mecanismos de deformación en polímeros: a) Deformación elástica por

enfriamiento de los enlaces covalentes entre carbonos de la cadena principal. b) Deformación elástica o plástica por desenrollado de la cadena principal. c) Deformación plástica por deslizamientos.

COMPORTAMIENTO ELASTICO La deformación elástica en estos polímeros es debida a dos mecanismos. En el primero de ellos los enlaces covalentes de los átomos de carbono de la cadena principal del polímero sufren deformación elástica produciendo el alargamiento de los mismos. En el momento en que la tensión se elimina la distorsión de la cadena puede desaparecer casi instantáneamente, por lo que una fracción inicial de la curva tensión-deformación puede ser lineal y calcular de este modo de la gráfica el módulo de elasticidad de manera similar al caso de metales y cerámicos. El segundo mecanismo que tiene lugar además es cuando fragmentos de la cadena del polímero que se deforman pero al suprimir la tensión, los segmentos vuelven a sus posiciones de origen por un periodo de tiempo variable, de horas a meses. Esta dependencia con el tiempo en el comportamiento elástico puede contribuir a algo de comportamiento elástico no lineal.

116

COMPORTAMIENTO PLASTICO Los materiales poliméricos también pueden sufrir deformación del tipo plástico cuando la tensión supera el límite elástico. Sin embargo, a diferencia de los metales esta deformación no es consecuencia del movimiento de dislocaciones, sino al deslizamiento de unas cadenas del polímero sobre otras rompiendo de esta manera los débiles enlaces de Van der Waals, Figura 3.41. Al retirar el esfuerzo las cadenas permanecen en sus nuevas posiciones y de este modo el material se deforma de manera permanente.

Figura3.41: Mecanismo de deformación plástica. a) Las cadenas se mantienen unidas por

fuerzas de Van der Waals. b) Cuando el polímero se estira, las cadenas se enderezan y deslizan unas sobre otras.

La posibilidad de que la tensión cause el deslizamiento de las cadenas depende del tiempo. Si la tensión se aplica lentamente, unas cadenas pueden deslizar más rápidamente que otras, y si se aplica la tensión rápidamente el deslizamiento puede minimizarse y el polímero puede manifestar una tendencia acusada de comportamiento frágil.

117

VISCOELASTICIDAD La facilidad con la que sucede esta deformación permanente o no en el termoplástico depende del comportamiento viscoelástico del material. Para deformar un material se necesita un cierto porcentaje de tensión que depende del porcentaje total de deformación y de la velocidad de la deformación. La viscosidad, se define como el cociente entre la tensión que causa el deslizamiento y el gradiente de velocidad, que nos describe la rapidez con la que unas cadenas se deslizan sobre otras,

Por ello si los polímeros tienen alta viscosidad requieren mayores esfuerzos para causar la deformación

plástica

y

presentan

menor

deformación

viscosa.

El efecto de la temperatura en la viscosidad es idéntica que en los vidrios,

La energía de activación está relacionada con la facilidad con la que se deslizan las cadenas unas sobre otras. Al aumentar la temperatura, el polímero es menos viscoso y se deforma más fácilmente. El comportamiento visco-elástico explica las propiedades dinámicas o que tienen una influencia notable con el tiempo. Cuando se aplican altas velocidades a las tensiones como en los ensayos de impacto, no se da el tiempo suficiente para que las cadenas se muevan y causen la deformación plástica. Como resultado, el termoplástico exhibe un comportamiento frágil y presenta

valores

más

bajos

de

tenacidad

y

de

resistencia

a

la

fractura.

Por otro lado cuando se aplica la tensión durante un largo periodo de tiempo, presenta un flujo 118

viscoso importante, incluso a bajas temperaturas, por lo que el termoplástico presenta alargamientos permanentes continuos. Altas temperaturas o tensiones producen un mayor aumento del alargamiento, de hecho, se obtienen curvas tensión-tiempo de rotura, Figura 3.42, que se parecen bastante a las de los metales.

Figura 3.42: Efecto de la temperatura en el comportamiento a fractura del polietileno de alta densidad.

Un método para determinar esta dependencia del polímero con la temperatura aparece reflejado en el valor de la temperatura de resistencia al calor, que evalúa la temperatura a la cual la deformación toma un valor concreto para un peso standard. Altos valores de este parámetro indican una buena resistencia a la rotura

SOLIDIFICACION DE MATERIALES COMPUESTOS Los materiales compuestos están formados de dos o más materiales o fases unidas o conectadas para obtener una combinación de propiedades que no se podrían logar de otra manera. Los materiales compuestos se pueden seleccionar para obtener combinaciones no usuales de rigidez, peso, desempeño a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad. 119

Cualquier combinación de metales, polímeros y materiales cerámicos es virtualmente posible. En muchos casos, es posible utilizar la regla de las mezclas para estimar las propiedades del material compuesto. Este tipo de materiales tiene muchas aplicaciones en la industria de la construcción, aeroespacial, automotriz, en los deportes, en la micro eléctrica y en otros.

MATERIALES COMPUESTOS PARTICULADOS Los materiales compuestos particulados contienen grandes cantidades de partículas gruesas que imparten combinaciones de propiedades. CARBUROS CEMENTADOS: Los carburos cementados o cermets contienen partículas cerámicas duras dispersas en una matriz metálica. Los insertos de carburo de Tungsteno (Figura 3.43) que se utilizan para las herramientas de corte en operaciones de maquinado son típicas de este grupo.

Figura 3:43: Carburo de Tungsteno El carburo de Tungsteno es un material cerámico duro, rígido y con una elevada temperatura de fusión. Para mejorar la tenacidad, las partículas de carburo del Tungsteno, se combinan con polvo de cobalto y se comprime en formas de polvo compactado. Estas últimas se calientan por encima de la temperatura de fusión del cobalto. El cobalto líquido rodea cada una de las partículas sólidas del Tungsteno. 120

ABRASIVOS: Para obtener tenacidad, las partículas abrasivas están unidas mediante una matriz vítrea o polimérica. Conforme se desgastan las partículas duras, estas se fracturan o se desprenden de la matriz poniendo al descubierto nuevas superficies de corto y contactos eléctricos. POLIMEROS: Muchos polímeros para ingeniería, que contienen rellenos y dilatantes, son materiales compuestos particulados. En los polímeros se agregan partículas de elastómero (Figura 3.44) para mejorar la tenacidad. El polietileno puede ser cargado con polvos metálicos, como el plomo, para mejorar la absorción de productos de la fusión en aplicaciones nucleares.

Figura 3.44: Estructura de polímeros

MATERIALES COMPUESTOS PARTICULADOS DE METALES VACIADOS Un ejemplo de ello son las fundiciones de aluminio que contienen partículas dispersas de silicio (Figura 3.45); representa una aplicación comercial importante para los materiales compuestos particulados.

121

Figura 3.45: Microestructura de una aleación de fundición de aluminio reforzada con partículas de carburo de silicio. Entonces se podría decir que los materiales compuestos de matriz metálica contienen partículas cerámicas o metálicas que proporcionan una mejor resistencia al desgaste y aseguran buena conductividad eléctrica, tenacidad y resistencia a la corrosión. Los materiales compuestos de matriz polimérica contienen partículas que aumentan la rigidez, la resistencia a la temperatura o a la conductividad eléctrica, al mismo tiempo que mantiene un bajo peso, una facilidad de fabricación o un bajo costo.

MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS La mayoría de los materiales compuestos reforzados con fibras (Figura 3.46) tienen una mayor resistencia, mejor resistencia a la fatiga y una mejor relación resistencia a peso al incorporar fibras resistentes, rígidas aunque frágiles, en una matriz blanda y más dúctil.

Figura 3.46: Fibras de los compuestos reforzados por fibras

122

Para determinar la elasticidad de los materiales compuestos reforzados con fibras, se utiliza la regla de las mezclas, siempre que las fibras sean continuas y unidireccionales, la regla de las mezclas no es aplicable. La resistencia de un material compuesto con fibras, depende de la unión entre fibras y matriz. Los materiales compuestos reforzados con fibras proporcionan mejorías en resistencia, rigidez o desempeño a altas temperaturas en los metales y en los polímeros y tenacidad a los materiales cerámicos. Las fibras por lo común son de baja densidad, lo cual les da una resistencia y un módulo específico elevados, pero suelen ser muy frágiles. Las fibras pueden ser continuas o discontinuas: las continuas con una relación de forma produce un mejor refuerzo. Las fibras se introducen en una matriz con una diversidad de orientaciones. Las orientaciones aleatorias y un comportamiento isotrópico se obtienen utilizando fibras continuas; las fibras alineadas unidireccionalmente producen materiales compuestos con un comportamiento aniso trópico, con grandes mejorías en la resistencia y rigidez en la dirección paralela a las fibras. Para cumplir con las cargas impuestas, se pueden ajustar las propiedades orientando las fibras en muchas direcciones. CARACTERISTICAS: Al diseñar un material compuesto reforzado con fibras, debe tomarse en consideración muchos factores, incluyendo longitud, diámetro, orientación, cantidad y propiedades de la matriz y de la unión entre ambas. Su longitud y diámetro pueden ser cortos, largos o incluso continuos. CANTIDAD DE FIBRAS: Una fracción volumétrica mayor de fibras, incrementa la resistencia y la rigidez del material compuesto. Sin embargo la fracción volumétrica máxima es de aproximadamente 80% más allá de las fibras ya no pueden estar totalmente descubiertas 123

o rodeadas por la matriz. Las fibras de refuerzo pueden introducirse en la matriz con diferentes direcciones. PROPIEDADES: Están son resistentes, rígidas y ligeras. Si el material compuesto se utilizara a temperaturas elevadas, la fibra también deberá tener una elevada temperatura de fusión. PROPIEDADES DE LAS MATRICES Las matrices soportan las fibras y las mantiene en su posición correcta, transfiere las cargas a las fibras fuertes, protege las fibras contra daños durante su manufactura y uso en el material compuesto y evita la propagación de las grietas en las fibras hacia todo el material compuesto. Si la fibra se expande y se contrae a una velocidad muy distinta a la de la matriz, las fibras pueden romperse o se puede desintegrar la unión, causando una falla prematura.

MANUFACTURA DE FIBRAS Y DE MATERIALES COMPUESTOS La producción de un material compuesto reforzado con fibras implica varios pasos; incluyendo la producción de las fibras, organización de las mismas en paquetes o en tejidos, así como la introducción de las fibras en la matriz. FABRICACION DE LAS FIBRAS: Las fibras metálicas, las de vidrio y muchas fibras poliméricas (incluyendo el nylon, la aramida y el poliacrilonitrilo) se pueden formar mediante procesos de estirado o trefilado. El boro, el carbono y los materiales cerámicos son demasiado frágiles y reactivos para trabajarse utilizando procesos de estirado convencionales. La fibra de boro se produce por deposición química de vapor.

124

Las fibras de carbono se elaboran mediante la carbonización de un filamento orgánico, que se puede estirar o hilar más fácilmente en tramos delgados y continuos. Los filamentos son cristales individuales con relaciones de forma de 20 a 1000. Dado que los filamentos no contienen ninguna dislocación móvil, el deslizamiento no es posible y exhiben resistencias excepcionalmente elevadas. En visa del procesamiento complejo que se requiere para la producción de las fibras, su costo puede ser bastante alto. ARREGLO DE LAS FIBRAS: Los filamentos excepcionalmente finos (Figura 3.47) se reúnen en forma de hebras, hilos o mechas. En hilos se retuercen hasta 10000 filamentos para producir la fibra. Una mecha contiene desde unos cuantos cientos o más de cien mil filamentos sin retorcer. Las hebras son paquetes sin retorcer de filamento, hilos o mechas.

Figura 3.47: Filamentos finos de fibras

Las fibras se cortan en tramos de 1cm o menos. Estas fibras también conocidas como hilachos son fáciles de incorporar en la matriz y son comunes en los materiales compuestos de moldeo de láminas y de moldeo en volumen para materiales compuesto de matriz polimérica. Muchas veces, las fibras están presentes dentro del material compuesto con una orientación al azar o aleatoria. 125

Para materiales compuestos de matriz polimérica se pueden procesar fibras largas o continuas en formas de esteras o telas se conocen como prepregs. Cuando es necesario introducir fibras alineadas unidireccionalmente en una matriz polimerice, se pueden producir cintas. Las fibras individuales se pueden desenrollar, al hacer esto se determina el espaciamiento de las fibras individuales e impregnados y preformados mediante una resina polimérica. Estas cintas con un espesor de solo un diámetro de fibra, pueden tener un ancho de hasta 48 pulg.

PRODUCCION DEL MATERIAL COMPUESTO Se utiliza una diversidad de métodos para la producción de piezas de material compuesto, dependiendo de la aplicación y de los materiales. Los materiales compuestos reforzados con fibras cortas se elaboran normalmente mezclando las fibras en una matriz liquida o plástica, y utilizando después, técnicas de inyección para materiales compuestos en base polimérica o por vaciado, en el caso de materiales compuestos de matriz metálica. Los materiales compuestos por matriz polimérica, también se pueden producir utilizando un método de rociado, en la cual se atomizan las fibras cortas junto con una resina sobre una forma y después se deja fraguar. Sin embargo, se han diseñado técnicas especiales para la producción de materiales compuestos utilizando fibras continuas, ya sea en forma alineada unidireccionalmente, en estera o en tejido. En técnicas de elaboración manual, las cintas, esteras o tejidos se extienden sobre una forma, saturada con resina polimérica y se presionan para asegurar un buen contacto y una completa eliminación de la porosidad; finalmente se curan o fraguan. Las cintas y las telas también se pueden colocar en un dado y pueden formarse mediante el moldeo por bolsa. El enrollamiento de los filamentos se utiliza para producir componentes como recipientes a presión y piezas fundidas para motores a reacción. Las fibras se enrollan alrededor de una 126

forma o de un mandril para formar gradualmente una figura sólida. El filamento puede estar sumergido en la resina de la matriz polimérica antes de su enrollado o esta resina se puede impregnar alrededor del filamento durante o después del enrollado. El durado o fraguado completa la producción de la pieza. Los materiales compuestos de matriz metálica con fibras continuas son más difíciles de producir que los materiales compuestos de resina polimérica. También se pueden utilizar procesos de vaciado o colado que obligan al líquido a pasar alrededor de las fibras por elevación capilar, colado a presión, infiltración por vacío o colada continua. También es posible utilizar varios procesos de compactación en estado sólido.

MATERIALES COMPUESTOS LAMINARES Los materiales compuestos laminares comprenden recubrimientos muy delgados, superficies protectoras más gruesas, revestimientos, materiales bimetálicos, laminados como se muestra en la Figura 3.48. Además podemos considerar como parcialmente laminares los materiales compuestos reforzados con fibra producidos en forma de cintas o de tejidos. Muchos de ellos están diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión, a la vez que mantienen un bajo costo, una elevada resistencia o un peso ligero. Otras características importantes son una resistencia superior al desgaste o a la abrasión, una mejor apariencia y una expansión térmica fuera de lo común. Los materiales compuestos laminares son altamente aniso trópicos. Sin embargo gran parte de las propiedades verdaderamente importantes, como las resistencias a la corrosión y al desgaste, dependen principalmente de solo uno de los componentes del material compuesto, por lo que la regla de las mezclas no es aplicable.

127

Figura 3.48: Laminado de fibra de carbono

PRODUCCION DE COMPUESTOS LAMINARES Para producir materiales compuestos laminares se usan varios métodos, incluyendo una diversidad de técnicas de deformación y unión que se utilizan principalmente para los metales. Con frecuencia cada una de las capas se une a las adyacentes mediante una unión adhesiva. Como en la fabricación del triplay o madera contrachapada. Los materiales compuestos de matriz polimérica hechos a partir de varias capas de prepregs de tejido o de cinta también se cementan usando adhesivos; se coloca una película delgada de material no polimerizado entre cada prepregs. Cuando estas capas se aprietan unas contra otras a temperaturas elevadas, se complementa la polimerización, y las fibras de prepreg quedan unidas para producir materiales compuestos que llegan a tener docenas de capas de espesor. La mayoría de los materiales compuestos laminares metálicos, como los recubrimientos y los bimetálicos, se producen por unión por deformación, como laminación en caliente o en frio. 128

La presión que ejercen los rodillos rompe la película del óxido de la superficie, lo que pone a las dos superficies en contacto atómico y permite que se unan. También se puede utilizar unión por explosión. Una carga explosiva proporciona la presión necesaria para la unión de los metales. Este proceso es particularmente adecuado para unir placas muy grandes que no pueden introducirse en un tren de laminación. La soldadura fuerte o latonado puede unir placas de materiales compuestos. Las hojas metálicas, separadas por un espacio muy pequeño, de preferencia de aproximadamente 0.003 pulgadas; se calientan por encima de su temperatura de fusión de la aleación de aporte. La aleación de aporte fundida es atraída hacia la unión mediante acción capilar. ESTRUCTURAS TIPO EMPAREDADO Los materiales tipo emparedado tienen capas delgadas de un material de recubrimiento unido a un material de relleno ligero, como una espuma de polímero. Ni el relleno, ni el material de recubrimiento son materiales rígidos o resistentes, pero el material compuesto si tiene ambas propiedades. Un ejemplo familiar es el cartón corrugado mostrado en la Figura 3.49.

Figura 3.49: Ejemplo de material de tipo emparedado

129

ENDURECIMIENTO POR DISPERSION ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN Y DIAGRAMAS DE FASES EUTÉCTICAS CONCEPTOS FUNDAMENTALES 

Fase: Toda porción, que puede incluir a la totalidad de un sistema, que es físicamente homogénea dentro de sí misma y limitada por una superficie, de tal modo que sea mecánicamente separable de cualquier (Figura 3.50).

•

Tiene la misma estructura o arreglo atómico en su interior

•

Aproximadamente, tiene la misma composición y propiedades en su interior.

•

Tiene una interfaz definida entre ésta y las fases adjuntas

Figura 3.50: Las tres formas del agua, gas, líquido y sólido, siendo cada uno de ellas una fase



Solubilidad: Cantidad de un material que se disolverá completamente en un segundo material sin formar una segunda fase (Figura 3.51).



Solubilidad ilimitada: Condición que se presenta cuando la cantidad de un material que se disolverá en otro es ilimitada, sin crear segundas fases. 130



Solubilidad limitada: Condición referente a que solo se puede disolver cantidad máxima de un material soluto en un material disolvente.

Figura 3.51: Solubilidad limitada e ilimitada ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN Cuando se excede la solubilidad de un material por agregar demasiado elemento o compuesto aleante, se forma una segunda fase y se produce un material de dos fases (Figura 3.52). La frontera entre las dos fases se llama interfaz entre fases, y es una superficie en la que el arreglo atómico no es perfecto. En los materiales metálicos, esta frontera interfiere con el deslizamiento de dislocaciones, y causa endurecimiento de esos materiales.

Figura 3.52: La sal y el agua tienen solubilidad limitada 131

PRINCIPIOS Y EJEMPLOS DE ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN En las aleaciones endurecidas por dispersión simples, se introducen partículas diminutas de una fase, en general muy fuerte y dura, en una segunda fase, que es más débil pero más dúctil. La fase suave por lo general es continua y está presente en mayores cantidades, se llama matriz. La fase endurecedora puede llamarse fase dispersa o precipitada. La fase dispersa y la matriz deben cumplir ciertos principios los cuales se muestran e la Figura 3.53.

Figura 3.53: Consideraciones para un endurecimiento por dispersión eficaz: (a) El precipitado deberá ser duro y discontinuo; (b) las partículas del precipitado deberán ser pequeñas y numerosas; (c) las partículas del precipitado deberán ser redondas, en vez de puntiagudas o en forma de aguja y (d) a mayor cantidad de precipitado mayor endurecimiento

COMPUESTOS INTERMETÁLICOS Un compuesto intermetálicos está compuesto por dos o más elementos metálicos que producen una nueva fase con su composición, estructura cristalina y características propias. Estos son casi siempre son muy duros y frágiles. El interés por esto es porque las aleaciones endurecidas por dispersión con frecuencia contienen un compuesto intermetálicos como fase dispersa.

132

Aplicaciones de los intermetálicos Los compuestos intermetálicos aparecen en muchas aleaciones por ejemplo en el sistema hierro-carbono (acero) en el que se forma el compuesto Fe₃C o cementita (Figura 3.54)

Figura 3.54: Cementita

DIAGRAMAS DE FASES QUE CONTIENEN REACCIONES ENTRE TRES FASES

Figura 3.55: Las cinco reacciones de tres fases de mayor importancia en los diagramas de fases binarios 133

Los sistemas que describiremos aquí tienen reacciones donde intervienen tres fases separadas. Las cinco reacciones de tres fases más importantes en los diagramas binarios de fases se muestran en la Figura 3.55. Las reacciones en las cuales ocurres endurecimiento por dispersión son: 

Eutéctica



Eutectoide

REACCIONES EUTÉCTICAS

Figura 3.56: Diagrama de fase de reacción eutéctica Esta reacción es parte del proceso de transformación de solidificación completa del líquido. Este tipo de reacción corresponde a un punto fijo en el diagrama de fases (Figura 3.56).

134

DIAGRAMA DE FASES EUTÉCTICAS

Figura 3.57: Líneas importantes del diagrama de fases eutécticas Dentro de nuestro diagrama de fases encontramos las líneas (Figura 3.57): Solidus: Indica que todo lo que se encuentra debajo de ella está en la fase solida. Liquidus: Indica que todo lo que se encuentra por encima de ella se encuentra en fase líquido. Solvus: Línea de solubilidad. El sistema Pb-Sn se usará como forma una conveniente de explicar el diagrama de fases eutécticas. Examinaremos tres clases de aleaciones en este sistema. •

Aleaciones que rebasan el límite de solubilidad.

•

Aleaciones eutécticas.

•

Aleaciones hipoeutécticas e hipereutécticas.

135

ALEACIONES QUE REBASAN EL LÍMITE DE SOLUBILIDAD Las aleaciones que contienen entre 2 y 19% de Sn solidifican y producen una solución solida α. sin embargo, al continuar enfriándose la aleación, se lleva a cabo una reacción en estado sólido, que permite que una segunda fase β precipite de la fase α original como lo muestra la Figura 3.58.

Figura 3.58: Solidificación, precipitación y microestructura de una aleación Pb-10% Sn. Algo de endurecimiento por dispersión ocurre conforme se precipita el sólido ß

ALEACIONES EUTÉCTICAS La aleación que contiene 61.9% de Sn tiene la composición eutéctica. Es la composición para la cual no hay intervalo de solidificación; la solidificación de esta aleación sucede a una temperatura, que en el sistema Pb-Sn es 183°C. Cuando el líquido se enfría a 183°C comienza la reacción eutéctica (Figura 3.60).

136

En el sistema Pb-Sn, las fases solidas α y β crecen en el líquido en un arreglo lamelar. El producto de la reacción eutéctica tiene un arreglo característico de las dos fases el cual se muestra en la Figura 3.59, llamados microconstituyentes eutéctico.

Figura 3.59: Microfotografía del microconstituyente eutéctico plomo-estaño

Figura 3.60: Solidificación y microestructura de la aleación eutéctica Pb-61.9% Sn

137

ALEACIONES HIPOEUTÉCTICAS E HIPEREUTÉCTICAS Aleación hipoeutécticas: Es aquella cuya composición estará entre la del lado izdo. De la línea de enlace que define la reacción eutéctica y la composición eutéctica. (Pb-Sn: 19%61.9% Sn) Una aleación hipoeutéctica que contenga Pb-30% Sn: Analicemos una aleación hipoeutéctica que contenga Pb-30% Sn. Al llegar a la temperatura de liquidus de 260°, nuclea el solido α que contiene aprox. 12% de Sn. Este solido α crece hasta que la aleación se enfría justo arriba de la temperatura eutéctica. A 184°C, trazamos una línea de enlace y encontramos que el sólido contiene 19% de Sn, y que el líquido restante contiene 61.9% de Sn (Figura 3.61).

Figura 3.61: Solidificación y microestructura de una aleación hipoeutéctica (Pb-30% Sn) 138

Aleación hipereutéctica: La composición de una aleación entre la del extremo derecho de la línea de enlace que define la reacción eutéctica y la composición eutéctica. En el sistema Pb-Sn, toda composición entre 61.9% y 97.5% de Sn es hipereutéctica.

RESISTENCIA DE LAS ALEACIONES EUTÉCTICAS 

Tamaño de colonias en el eutéctico: las colonias eutécticas, o granos, nuclean y crecen cada una en forma independiente.



distancia interlamelar: la distancia interlamelar en un sólido eutéctico es la que hay desde el centro de una lamela de α hasta el centro de la siguiente lamela de α (Figura 3.62). la distancia interlamelar se determina principalmente por la rapidez de crecimiento del solido eutéctico. En la Figura 3.63 se muestra la distancia intermelar para el eutectico de plomo-estaño. Se puede aumentar la rapidez de crecimiento y, en consecuencia, reducir la distancia intermelar, aumentando la rapidez de enfriamiento o reduciendo el tiempo de solidificacion.

Figura 3.62: Espaciamiento interlaminar del microconstituyente eutéctico 139

Figura 3.63: Efecto de la rapidez de crecimiento sobre el espaciamiento interlaminar del eutéctico plomo-estaño 

Cantidad de eutéctico: Cuando ambas fases individuales tiene más o menos la misma resistencia , cabe esperar que la resistencia eutéctica tenga la máxima resistencia debido al fortalecimiento por la dispersión efectiva (Figura 3.64)

Figura 3.64: Efecto de la

composición y del mecanismo de endurecimiento sobre la resistencia a la tensión de las aleaciones plomo-estaño

140

Microestructura del eutéctico: Las formas de las dos fases en el micro constituyente están influidas por la velocidad de enfriamiento, la presencia de elementos impuros y la naturaleza de la aleación (Figura 3.65).

Figura 3.65: Diagrama de fase aluminio-silicio

EUTÉCTICOS Y PROCESAMIENTO DE MATERIALES Los procesos de manufactura aprovechan las bajas temperaturas de fusión asociada a la reacción eutéctica. Las aleaciones de Pb-Sn son la base de una serie de aleaciones con las que se producen materiales de relleno para estañar. Por ejemplo, si se desea unir tubos de cobre, los tramos individuales se pueden unir introduciendo en la juntura la aleación eutéctica Pb-Sn bajo punto de fusión (Figura 3.66). El Cobre se calienta justo arriba de la temperatura eutéctica. El cobre caliente funde la aleación de Pb-Sn, la cual es succionada hacia el hueco estrecho por acción capilar. Cuando se enfría y se solidifica la aleación de Pb-Sn, el cobre queda pegado. También deben tenerse en cuenta las posibilidades de corrosión en esos tubos y el ingreso de plomo (Pb) al agua.

141

Figura 3.66: A menudo se utiliza una aleación eutéctica Pb-Sn en la soldadura para unir componentes. Una fuente de calor, como la flama de un gas calienta los componentes y el material de aporte; éste es atraído dentro de la junta por acciónbcapilar y se solidifica.

SOLIDIFICACIÓN DEL SISTEMA EUTÉCTICO EN DESEQUILIBRIO Suponga que tenemos una aleación, como la de Pb-15% Sn, que ordinariamente solidifica como aleación de solución sólida. El ultimo liquido se debe solidificar cerca de 230° C, bastante arriba de la eutéctica. Sin embargo, si la aleación se enfría con demasiada rapidez, se produce una curva solidus fuera de equilibrio (Figura 3.67).

142

Figura 3.67: Solidificación y microestructura de una aleación Pb-15% Sn fuera del equilibrio. Debido a la rápida solidificación se puede formar un microconstituyente eutéctico fuera de equilibrio.

DIAGRAMA DE FASES TERNARIOS Muchos sistemas de aleaciones se basan en tres o incluso más elementos. Cuando hay tres elementos tenemos una aleación ternaria. Grafica de liquidus: Se podrían transferir estas temperaturas para cada una de las composiciones a un diagrama triangular, como en la figura, y trazar las temperaturas de liquidus como contornos isotérmicos. Esta presentación es útil para predecir la temperatura de solidificación del material. La gráfica de liquidus también da la identidad de la fase primaria, que se forma durante la solidificación para cualquier composición dada (Figura 3.68).

143

Figura 3.68: Grafica de liquidus para un diagrama de fases ternario hipotético

Grafica isotérmica: La gráfica isotérmica muestra las fases presentes en el material a una temperatura en particular. Resulta útil para predecir las fases, sus cantidades y composiciones a dicha temperatura (Figura 3.69).

Figura 3.69: Gráfica isotérmica a temperatura ambiente para un diagrama de fases ternario hipotético

144

ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN MEDIANTE TRANSFORMACIÓN DE FASE Y TRATAMIENTO TÉRMICO Nucleación Igual que en el caso de la solidificación, la nucleación ocurre más fácilmente sobre superficies ya presentes en la estructura, ya que esto minimiza el término asociado con la energía superficial. Por tanto, el precipitado se nuclea con más facilidad en los bordes de grano y en otros defectos de la red. El crecimiento del precipitado ocurre normalmente mediante difusión de largo alcance y redistribución de los átomos. Los átomos durante la difusión deben cambiar sus posiciones originales, después moverse hacia el núcleo a través del material que los rodea e incorporarse en la estructura del precipitado. Este resultado a veces lleva a la formación de precipitados que tienen una relación especial con la estructura de la matriz, minimizando la deformación

ALEACIONES AL EXCEDER EL LÍMITE DE SOLUBILIDAD Estructura Widmanstatten La segunda fase puede crecer de modo que ciertos planos y direcciones sean paralelos a los planos y direcciones preferenciales en la matriz, creando una estructura Widmanstatten (Figura 3.70). Este mecanismo de crecimiento minimiza las energías de deformación y superficiales permitiendo mayores velocidades de crecimiento. El crecimiento Widmanstatten produce una apariencia característica del precipitado. Cuando se produce en forma de aguja, el precipitado Widmanstatten puede promover la nucleación de grietas, reduciendo así la ductilidad del material. Sin embargo, algunas de estas estructuras hacen más difícil que las grietas, una vez formadas, se propaguen, consiguiéndose

145

así buena tenacidad a la fractura. Algunas aleaciones de titanio y algunos materiales cerámicos obtienen su tenacidad de esta manera.

Figura 3.70: (1) Agujas Widmanstatten en una aleación Cu-Ti (~420) (2) Precipitado continuo en una aleación Al-4% Cu, causada por enfriamiento lento (~500), (3) Precipitados de plomo en los límites de grano en el cobre

ENDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIENTO O ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN El endurecimiento por envejecimiento, o por precipitación produce una dispersión uniforme de un precipitado coherente fino y duro, en una matriz más blanda y dúctil. Por ejemplo la Figura 3.71 la cual mueta una aleación al-4% Cu es un ejemplo clásico de una aleación endurecible por envejecimiento. Existen tres pasos en el tratamiento térmico de endurecimiento por envejecimiento.  Paso 1: Tratamiento por solución primero se calienta la aleación a una temperatura por encima de la temperatura de solvus y ahí se sostiene hasta que se produzca una solución sólida a homogénea. Este paso disuelve el precipitado, reduciendo cualquier segregación presente en la aleación original.

146

 Paso 2: Templado Después del tratamiento por solución, la aleación, que en su estructura sólo contiene a se enfría con rapidez, es decir se templa.  Paso 3: Envejecimiento Finalmente, la solución a súper saturada se calienta a una temperatura menor a la de solvus. A esta temperatura de envejecimiento, los átomos sólo pueden difundirse distancias cortas.

Figura 3.71: Extremo rico en aluminio del diagrama de fases aluminio-cobre, mostrando los tres pasos en el tratamiento térmico de endurecimiento por envejecimiento y las microestructuras que se producen.

EFECTO DE TEMPERATURA Y TIEMPO DE ENVEJECIMIENTO Las propiedades de una aleación endurecible por envejecimiento dependen tanto de temperatura como de tiempo de envejecimiento (Figura 3.72). A 260°C, la difusión en la aleación Al 4% Cu es rápida y los precipitados se forman pronto. La resistencia llega a un máximo antes de una exposición de 0.1 horas. Si se mantiene la aleación durante mas de 0.1 horas (6 minutos) se presentará sobreenvejecimiento. 147

Figura 3.72: Efecto de la temperatura y del tiempo de envejecimiento sobre el limite elástico de una aleación Al-4% Cu USO A ALTAS TEMPERATURAS DE LAS ALEACIONES ENDURECIDAS POR ENVEJECIMIENTO De acuerdo con el análisis anterior, no se seleccionaría una aleación Al-4% Cu endurecida por envejecimiento para uso a altas temperaturas. Al utilizarse entre 100 y 500°C, la aleación se sobre envejece, y pierde su resistencia mecánica. Por encima de 500°C, la segunda fase se vuelve a disolver en la matriz y ni siquiera se obtendrá endurecimiento por dispersión. En general, las aleaciones de aluminio endurecibles por envejecimiento son más adecuadas para operación cercana a la temperatura ambiente. Sin embargo, algunas aleaciones de magnesio pueden conservar su resistencia hasta aproximadamente 250°C y ciertas súper aleaciones de níquel resisten el sobre envejecimiento a 1000°C. También podríamos encontrarnos con problemas al soldar aleaciones endurecibles por envejecimiento (Figura 3.73). Durante la soldadura, el metal adyacente se calienta. La zona afectada por el calor contiene las zonas principales. La zona de temperatura inferior cercana al metal base no afectado está expuesta a temperaturas justo por debajo del solvus y puede sobreenvejecer. 148

Figura 3.73: Cambios microestructurales que ocurren en las aleaciones endurecidas por envejecimiento durante la soldadura por fusión: (a) Microestructura en la soldadura a la temperatura pico, y (b) microestructura en la soldadura, después de haberse enfriado lentamente hasta la temperatura ambiente

REACCIÓN EUTECTOIDE Eutectoide: una reacción en estado sólido, en la que una fase se transforma en otras dos. La formación de las dos fases sólidas permite obtener un endurecimiento por dispersión. Como ejemplo de la forma en que se puede utilizar la reacción eutectoide para controlar la microestructura y las propiedades de una aleación, examínese el diagrama de fases Fe-Fe₃C (figura 3.74) que forma la base de los aceros y de los hierros fundidos.

149

Figura 3.74: Diagrama de fases Fe-Fe₃C La línea vertical a 6.67% C es el compuesto estequiometrico Fe₃C

CONTROL DE LA REACCIÓN EUTECTOIDE Control de la cantidad del eutectoide Al modificar la composición de la aleación. se modifica la cantidad de la segunda fase dura. Conforme crece el contenido de carbono en un acero hacia la composición eutectoide de 0.77% C, aumentan las cantidades de Fe,C y de perlita, incrementando así la resistencia. Sin embargo, este efecto de endurecimiento finalmente llega a un máximo y las propiedades se estabilizan, o incluso decrecen, cuando el contenido de carbono es demasiado alto.

150

Tabla 3.2

Efecto del carbono en la resistencia de los aceros

LA REACCIÓN MARTENSÍTICA Y EL REVENIDO La martensita es una fase que se forma como resultado de una transformación de estado sólido sin difusión. La reacción martensítica es una transformación atérmica, esto es, la reacción depende sólo de la temperatura y no del tiempo. La reacción martensítica a menudo ocurre rápidamente dentro del material, a velocidades que se acercan a la del sonido. La martensita no es una estructura en equilibrio. Cuando la martensita en un acero se calienta por debajo de la temperatura eutectoide, se precipitan fases a y Fe, C estables. Este proceso se conoce como revenido. La descomposición de la martensita en los aceros causa que la resistencia mecánica y la dureza de ésta disminuyan mientras que la ductilidad y las propiedades al impacto mejoran.

151

UNIDAD 4 MATERIALES EN LA INGENIERIA La ingeniería de materiales es una rama de la ingeniería que se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Esta ingeniería está muy relacionada con la mecánica y la fabricación. La Ingeniería de Materiales es la base de los avances tecnológicos que han transformado nuestra sociedad, por lo que el Ingeniero de Materiales en uno de los perfiles más demandados en todo el mundo para la investigación, el desarrollo y la innovación, siendo un profesional de futuro en la industria. En conjunto, la Ingeniería de Materiales es una de las nuevas ingenierías del siglo XXI que está diseñada para lograr una sociedad del bienestar más sostenible y eficiente. La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su estructura atómica. Son los siguientes: 

Metales



Cerámicos



Polímeros



Materiales compuestos



Semiconductores

152

ALEACIONES Una aleación es una combinación, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal. Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre), Pb (plomo), ejemplos concretos de una amplia gama de metales que se pueden alear. El elemento aleante puede ser no metálico, como: P (fósforo), C (carbono), Si (silicio), S (azufre), As (arsénico)

PROPIEDADES DE LAS ALEACIONES Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductibilidad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades de las aleaciones dependen de su composición y del tamaño, forma y distribución de sus fases o microconstituyentes. La adición de un componente aunque sea en muy pequeñas proporciones, incluso menos de 1% pueden modificar intensamente las propiedades de dicha aleación Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad etc. pueden ser muy diferentes a las que pueden tener los componentes de forma aislada Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida. Hay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes.

153

PROCESO DE OBTENCION Históricamente para la obtención de una aleación se mezclan los diversos elementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes se fundan y dejando luego solidificar la solución líquida formando una estructura granular cristalina apreciable a simple vista o con el microscopio óptico La pulvimetalurgia desarrollada más recientemente, ha alcanzado gran importancia en la preparación de aleaciones con características especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de sus puntos de fusión. El resultado es una aleación sólida y homogénea. Los productos hechos en serie pueden prepararse por esta técnica abaratando mucho su costo. Otra técnica de aleación es la implantación de ion, que ha sido adaptada de los procesos utilizados para fabricar chips de ordenadores o computadoras. Sobre los metales colocados en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal. Bombardeando titanio con nitrógeno, por ejemplo, se puede producir una aleación idónea para los implantes de prótesis

Procesos de fusión: Los componentes se calientan en un horno a una temperatura superior a las de fusión, se logra una mezcla homogénea y posteriormente se reduce la temperatura hasta que solidifican de nuevo. Electrólisis: Si el electrolito contiene en disolución cationes de los elementos que queremos alear, con el paso de una corriente eléctrica dichos iones se depositarán sobre el cátodo.

154

Compresión: Mediante un proceso similar a la sinterización, se mezclan los materiales en forma de polvo o virutas, se aumenta la presión y se calienta la mezcla hasta temperaturas inferiores a la de fusión.

Implantación de iones: El metal, colocado en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal.

CLASIFICACION DE LAS ALEACIONES Mezclas sólidas: En estas aleaciones se pueden observar al microscopio las partículas correspondientes a cada uno de los metales, lo que demuestra que cada celda cristalina está formada por los iones de un solo metal. Esto sucede con las aleaciones de plomo y estaño, antimonio y plomo, etc. Disoluciones sólidas: Son disoluciones líquidas de dos o más metales que al solidificarse forman una mezcla homogénea o disolución sólida y los iones de uno de los metales se encuentran distribuidos en la red cristalina del otro. Por ejemplo, el sistema plata-oro. Compuestos intermetálicos: Son aquellos en los que los átomos de los diferentes metales están en una proporción determinada formando verdaderos compuestos químicos. Por ejemplo, la aleación de magnesio-plomo, el latón, la cementita, etc.

155

TIPOS DE ALEACIONES Las aleaciones ferrosas: Tienen al hierro como su principal metal de aleación, los aceros son aleaciones ferrosas, son importantes principalmente por su costo relativamente bajo y la variedad de aplicaciones (Figura 4.1) por sus propiedades mecánicas. Los aceros inoxidables son las aleaciones ferrosas más importantes a causa de su alta resistencia a la corrosión en medios oxidantes, para ser un acero inoxidable debe contener al menos 12% de cromo. Los hierros para fundición son otra familia industrialmente importante de las aleaciones ferrosas. Son de bajo costo y tienen propiedades especiales tales como un buena moldeabilidad, resistencia a la corrosión, al choque térmico, al desgaste y durabilidad.

Figura 4.1: Ejemplos de tubos y cables de acero inoxidable

Aleaciones NO ferrosas: Base de la aleación: Cu Se emplean ampliamente en la industria debido a que presentan alta conductividad térmica y eléctrica. Los ejemplos más significativos son:

156

El latón es una aleación de cobre en la que el cinc es un constituyente importante, el bronce es una aleación de cobre que contiene estaño o algún otro elemento como fósforo o aluminio como constituyente esencial. Ejemplos de sus aplicaciones son las válvulas (Figura 4.2).

Figura 4.2: Usos más comunes del latón Base de la aleación: Al Se utilizan en la fabricación de pomos. Dado que son aleaciones livianas pueden utilizarse en construcción aeronáutica (Figura 4.3) y en fabricación de barcos siendo además muy resistentes a la corrosión del agua de mar.

Figura 4.3: Aplicaciones del aluminio en la industria automotriz y aérea

157

Base de la aleación: Pb Son muy dúctiles y se deforman progresivamente. Las aleaciones de Pb y Sn se emplean para soldaduras. El plomo aleado con otros metales aumenta su dureza. Con Sn, Cd y Bi forman aleaciones fácilmente fusibles (para poder emplearlas para soldar debe disminuir el punto de fusión de la aleación).

ALEACIONES MÁS COMUNES 

Acero: Es aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,008 y el 1,7% en peso de su composición, sobrepasando el 1.7% (hasta 6.67%) pasa a ser una fundición.



Acero inoxidable: El acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa (Figura 4.4).



Alnico: Formada principalmente de cobalto (5.24%), aluminio (8-12%) y níquel (1526%), aunque también puede contener cobre (6%), en ocasiones titanio (1%) y el resto de hierro (Figura 4.5).



Alpaca: Es una aleación ternaria compuesta por zinc (8-45%), cobre (45-70%) y níquel (8-20%)



Bronce: Es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 % (Figura 4.5).



Constantán: Es una aleación, generalmente formada por un 55% de cobre y un 45% de níquel (Figura 4.6).



Cuproníquel: Es una aleación de cobre, níquel y las impurezas de la consolidación, tales como hierro y manganeso. 158



Cuproaluminio: Es una aleación de cobre con aluminio.



Latón: Es una aleación de cobre con zinc (Figura 4.6).



Magal: Es una aleación de magnesio, al que se añade aluminio (8 o 9%), zinc (1%) y manganeso (0.2%).



Magnam: Es una aleación de Manganeso que se le añade Aluminio y Zinc.



Nicrom: Es una aleación compuesta de un 80% de níquel y un 20% de cromo (Figura 4.7).



Nitinol: titanio y níquel.



Oro blanco (electro): Es una aleación de oro y algún otro metal blanco, como la plata, paladio, o níquel (Figura 4.7).



Peltre: Es una aleación compuesta por estaño, cobre, antimonio y plomo.



Plata de ley



Zamak: Es una aleación de zinc con aluminio, magnesio y cobre.

Figura 4.4: Aleaciones más comunes de acero inoxidable

159

Figura 4.5: Alnico y bronce

Figura 4.6: Latón y constantan

Figura 4.7: Nicrom y oro blanco

160

MATERIALES CERÁMICOS Un material cerámico es un tipo de material inorgánico, no metálico, buen aislante y que además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Asimismo, su módulo de Young (pendiente hasta el límite elástico que se forma en un ensayo de tracción) también elevado, además presentan un modo de rotura frágil. Todas estas propiedades, hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de fundir y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc.). Por esta razón, en las cerámicas realizamos un tratamiento de sinteización. Este proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser visibles a simple vista. Un ensayo a tracción, por los poros y un módulo de Young y una fragilidad elevados y al tener un enlace interatómico (iónico y/o covalente),1 es imposible de realizar. Existen materiales cerámicos cuya tensión mecánica en un ensayo de compresión puede llegar a ser superior a la tensión soportada por el acero. La razón, viene dada por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al comprimir estos poros, la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del colapso de los poros.

ESTRUCTURAS DE LAS CERÁMICAS Se caracterizan por tener enlace covalente y iónico, más fuerte que el enlace metálico y son la causa de su dureza y tenacidad, la forma de sujeción de los electrones en las moléculas de estos elementos hacen que sean conductores pobres. Los fuertes enlaces dotan a estos materiales de altas temperaturas de fusión. Tienen estructura cristalina más compleja que la de los materiales metálicos. Hay varias razones para esto: 1.

Con

átomos

de

diferente

tamaños.

2. Las fuerzas iónicas son también diferentes para cada material cerámico (sílice diferente del 161

aluminio). 3. Unión de más de dos elementos.

PROPIEDADES MECÁNICAS Los materiales cerámicos deberían ser más resistentes que los materiales metálicos pero su fina estructura de sus enlaces evitan que haya deslizamientos, mecanismo base para una deformación clásica. Los materiales cerámicos al igual que los metales, tienen las mismas imperfecciones cristalinas (vacantes, átomos desacomodados, pequeñas fisuras y grietas), todo eso tiende a concentrar esfuerzos y el material metálico falla por fractura.

PROPIEDADES FÍSICAS - Pesan menos que los metales, pero más que los polímeros. - Baja conductividad eléctrica. - Baja conductividad térmica. - Baja expansión y fallas térmicas.

PRODUCTOS COMERCIALES Productos de barro: Para la construcción (ladrillos, losetas, etc.). Productos refractarios: Paredes de hornos, crisoles y moldes. Productos de loza: Porcelana, vajillas cerámicas (Figura4.8). Productos de vidrio: Ventanas, envases, etc. 162

Fibra de vidrio: Para lana de aislamiento (Figura4.8). Abrasivas: Oxido de aluminio y carburo de cilicio. Materiales para herramientas de corte: Carburo de Tungsteno.

Figura 4.8: Fibra de vidrio, productos de loza y productos de barro

EJEMPLOS Alúmina:

Desde

abrasivos

hasta

huesos

artificiales

(Figura

4.9).

Kaolinita: (Silicato hidratado de aluminio) principal componente en los productos de barro (Figura 4.11). Son materiales ampliamente usados en la industria: (ladrillo, alfarería, losetas y porcelana), incluye el concreto, pues sus componentes son cerámicas. También materiales como Carburo de Tungsteno (Figura 4.10) y Nitruro de Boro Su importancia se basa en la abundancia en la naturaleza y sus propiedades físicas y mecánicas, diferentes a las de los metales.

163

Figura 4.09: Alúmina

Figura 4.11: Kaolinita

Figura 4.10: carburo de Tungsteno

NUEVOS MATERIALES CERÁMICOS Óxidos cerámicos: El más importante es la alúmina, se saca de la bauxita pero a través de un horno eléctrico, baja conductividad térmica y resistencia a la corrosión, buena dureza en caliente. Se usa para abrasivos, y cerámicas aislantes (Bujías). Carburos: Se usan para herramientas WC (carburo de tungsteno) TiC (carburo de titanio) TaC (carburo de tantalio) Se caracterizan por su dureza y resistencia al desgaste. La fuente usual del carbono para estas reacciones es el carbón de humo. Nitruros: 1.

Nitruros

de

silicio:

motores

de

cohetes,

crisoles

para

hornos.

2. Nitruros de boro: Tienen una dureza similar al diamante pero no compite como herramienta (muy

costoso).

3. Nitruros de titanio: es conductor de la electricidad y se usa para recubrir superficies de herramientas,

tiene

alta

dureza

y

resistencia

al

desgaste.

4. Sialón: similitud en propiedad con el silicio pero con mejor resistencia a la oxidación y a las

altas

temperaturas.

5. Vidrio: se conoce desde hace más de 4000 años A.C.; tiene una estructura amorfa y adquiere 164

su estado vítreo cuando se ha dado un tiempo insuficiente durante el enfriamiento desde la fundición para permitir que se forme una estructura cristalina. Su principal componente es la Sílice.

POLÍMEROS Los polímeros son macromoléculas con enlaces covalentes formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros (Figura 4.12). Los monómeros son las unidades básicas para la formación de materiales plásticos, y según la forma en que se unan pueden dar estructuras lineales o no lineales.

Figura 4.12: Monómeros que conforman a un polímero

UTILIDAD DE LOS POLÍMEROS La gran utilidad de los polímeros actuales se debe a que se puede sintetizar el polímero que cumpla una serie de propiedades que se necesiten (dureza, plasticidad, densidad, etc.). Esto se consigue mediante la elección del monómero pero principalmente controlando: •

Grado de polimerización, según las condiciones de síntesis se pueden obtener longitudes de las cadenas moleculares de diferente tamaño y por tanto con propiedades ligeramente diferentes. El proceso de polimerización es una condensación de monómeros. Por ejemplo, el eteno polimeriza para dar el polieteno (o polietileno) y el proceso se denomina polimerización por adición. Inicialmente, los polímeros eran muy sencillos como el derivado del aldehído fenólico para dar la bakelita. Cuando en la polimerización solo interviene un único monómero se denomina homopolímero y cuando polimeriza una mezcla de dos o más monómeros se denomina copolimerización.

165

•

Entramado "branching", consiste en crear uniones entre diferentes cadenas del mismo polímero para aumentar su dureza y punto de fusión. Por ejemplo, en el polietileno (Figura 4.13) .

Figura 4.13: Estimado de branching

•

Uniones puente "cross-linking". Un ejemplo clásico es la vulcanización del caucho usando azufre. El caucho natural es el cis-poliisopreno (que es un polímero insaturado) y cuando se añade azufre entre 1-5 % se producen puentes de azufre entre diferentes cadenas poliméricas lo que se conoce como vulcanizado y aumenta mucho la dureza y resistencia al desgaste (Figura 4.14). El producto de vulcanización completa (40 %) es la ebonita y es un sólido duro y rígido.

Figura 4.14: Comparación del antes y después de la vulcanización

166

LOS POLÍMEROS EN LA INDUSTRIA Cuando se trata de mercados industriales generales, la lista de aplicaciones es casi infinita. Los polímeros de ingeniería ofrecen una gran variedad de propiedades: desde resistencia al fuego y respirabilidad hasta resistencia química y absorción energética; también pueden ser procesados para alcanzar casi todas las necesidades en aplicaciones. •

Los polímeros termoplásticos

•

Los elastómeros

•

Los polímeros termoestables

POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS Se componen de largas cadenas (Figura 4.15) producidas al unir moléculas pequeñas o monómeros y típicamente se comportan de una manera plástica y dúctil (capacidad de hacerse en hilos). Al ser calentados a temperaturas elevadas, estos polímeros se ablandan y se conforman por flujo viscoso, también estos polímeros se pueden reciclar con facilidad, ya que no existen enlaces cruzados en su estructura. La mayoría de plásticos que usamos a diario (Figura 4.16) y que tienen relación con contenedores de comida, caen dentro de esta categoría.

Figura 4.15: Polímeros termoplásticos compuestos de cadenas largas

167

Termo plásticos

Figura 4.16: Aplicaciones más comunes de los termoplásticos

ELASTÓMEROS Incluyendo el caucho, tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una ligera formación de enlaces cruzados entre las cadenas. Los elastómeros tienen la capacidad de deformarse elásticamente en gran proporción sin cambiar de forma permanentemente (Figura 4.17).

Elastómeroros

Figura 4.17: Aplicaciones más comunes de los elastómeros

168

POLÍMEROS TERMOESTABLES Están compuestos por largas cadenas de moléculas con fuertes enlaces cruzados entre las cadenas para formar estructuras de redes tridimensionales. Estos polímeros generalmente son más resistentes, aunque más frágiles, que los termoplásticos. Los termoestables no tienen una temperatura de fusión fija y es difícil reprocesarlos una vez ocurrida la formación de enlaces cruzados, esto es que una vez fundidos ya no es posible volverlos a fundir, ya que estos tienden a quemarse y degradarse. Ejemplos de este tipo de plásticos son los contactos de nuestra casa, partes que deban soportar altas temperaturas dentro de componentes eléctricos y electrónicos, engranes en autos, tarimas plásticas (4.18).

Polímeros termoestables

Figura 4.18: Aplicaciones más comunes de los polímeros termoestables

169

MATERIALES COMPUESTOS Son aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad.1 Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes características: 

Están formados de dos o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente.



Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interfase.



Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).



No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifásicos; como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambian la composición de las fases presentes.2

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas.

MATRIZ Son todos los componentes que conforman el material compuesto. Los hay de dos tipos: inorgánica y orgánica INORGÁNICA  Matriz metálica  Matriz cerámica.  Matriz de carbón. Aporta:

170



Alta rigidez.



Resistencia.



Modulo específico.



Propiedades termomecánicas y termofísicas.

Aplicaciones: 

Industria automotriz.



Aeroespacial.



Militar.



Eléctrica y electrónica. ORGÁNICA

Está conformada por compuestos de fibra de carbono/vidrio con matriz orgánica. Aporta: 

Estabilidad.



Proteger al refuerzo del deterioro.



Evitar la propagación de grietas.

Estos pueden ser termoplásticos, elastómeros, duroplásticos o termoestables.

MÉTODOS DE OBTENCIÓN Según el estado de la matriz durante el proceso:  En estado líquido (fundición, infiltración).  En estado sólido (pulvimetalurgía, sinterización, prensado en caliente).  En estado semisólido (compocasting).  En estado gaseoso (deposición de vapor, atomización, electrodeposición).

171

APLICACIONES Y FUTURO DE ESTOS MATERIALES El mayor futuro de los materiales compuestos está en la construcción industrial, específicamente en: 

Estructuras en ambiente corrosivo.



Estructuras en la industria química y petroquímica.



Construcciones en plantas de depuración o tratamientos de aguas residuales.



Paneles de control.



Marcos de puertas y ventanas. Paneles.



Estructuras aislantes.



Mangos de herramientas.



Escaleras aislantes.



Útiles deportivos.



Esquies, raquetas etc.

172

DESGASTE DE LOS MATERIALES El desgaste puede ser definido como el proceso mediante el cual el material es desprendido de una o de ambas superficies que se enc tribológico, la perdida de material es un proceso muy lento, pero es estable y continuo. Clasificar los tipos de desgaste que se pueden presentar en un material suele ser difícil. La razón de esta dificultad es que el desgaste o resistencia al desgaste no es una propiedad intrínseca del material, como lo es el esfuerzo o la dureza. La clasificación del desgaste toma dos aspectos en consideración: el primero es basado en como ocurre el desgaste en las piezas o componentes, como pueden ser picaduras, degradación, y estriación. El segundo aspecto, mayormente utilizado, toma en consideración las bases del mecanismo o acción tribológica. HAY QUE TENER EN CUENTA PARA PREVENIR Y COMBATIR EL DESGASTE: 

1. Mantener baja la presión de contacto



2. Mantener baja la velocidad de deslizamiento



3. Mantener lisas las superficies de rodamientos



4. Usar materiales duros



5. Asegurar bajos coeficientes de fricción



6. Usar lubricantes

Una máquina no puede operarse en condiciones de fricción seca, pues aunque los acabados superficiales fuesen inmejorables, la degradación superficial sería tan rápida y severa que prácticamente no llegaría a funcionar. La introducción del lubricante reduce sustancialmente el coeficiente de fricción, mejorando la situación de degradación de las superficies que aparece en la fricción seca, pero no supone la desaparición total del desgaste.

173

MECANISMOS DE DESGASTE 

Adhesión



Abrasión



Erosión



Fatiga



Corrosión



Cavitación



Por fretting



Oxidativo

DESGASTE ADHESIVO El desgaste adhesivo ocurre entre dos superficies que se encuentran en contacto, las cuales se adhieren fuertemente formando uniones entre ellas. Un deslizamiento producirá un desprendimiento de material de la superficie suave. Si el material es dúctil, la deformación que se produce antes de la separación de la partícula es mucho mayor, la partícula que ha sido separada de la aspereza puede permanecer unida a la otra aspereza como material transferido de una superficie a otra o puede ser liberada como partícula de desgaste.

DESGASTE ABRASIVO En el desgaste abrasivo el material es removido o desplazado de una superficie por partículas duras, de una superficie que es deslizada contra otra. Existen dos tipos dos formas básicas de abrasión. Abrasión por desgaste de dos cuerpos y abrasión por desgaste de tres cuerpos. El desgaste por abrasión de dos cuerpos ocurre cuando las protuberancias duras de una superficie son deslizadas contra otra. Un ejemplo de esto es el pulido de una muestra mediante el uso de lijas. El desgaste por abrasión de tres cuerpos se presenta en sistemas donde partículas tienen la libertad de deslizarse o girar entre dos superficies en contacto, el caso de aceites lubricantes contaminados en un sistema de deslizamiento puede ser claro ejemplo de este tipo de abrasión

174

DESGASTE EROSIVO El desgate efectuado por el mecanismo de erosión genera la perdida de material en la superficie, debido a estar expuesta a repetidos impactos de partículas sólidas o liquidas. La erosión puede ser definida como la perdida de material que experimenta una superficie debido al flujo de una mezcla de partículas sólidas dentro de un líquido a altas velocidades.

DESGASTE POR CAVITACIÓN La cavitación es, en la mayoría de los casos, un suceso indeseable. En dispositivos como hélices y bombas, la cavitación puede causar mucho ruido, daño en los componentes y una pérdida de rendimiento. El colapso de las cavidades supone la presencia de gran cantidad de energía que puede causar enorme daño. La cavitación puede dañar casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los

DESGASTE POR FRETTING El fretting se debe a la existencia de movimientos oscilatorios de amplitud pequeña entre dos superficies en contacto. El mecanismo se presenta cuando se mantiene el sistema sometido a un gran número de ciclos. Fretting ocurre entre componentes que tienen como función evitar el movimiento, un ejemplo son los sujetadores de presión.

175

CONCLUSIÓN En un mundo cambiante en el cual nos encontramos existen variables que interactúan y que cada vez se hacen más grandes las necesidades del hombre para satisfacer cada una de las necesidades. La asignatura de tecnología de los materiales es uno de los pilares fundamentales para el conocimiento básico y estructural de cada uno de ellos, los cuales utilizamos día con día y especialmente estando en el área de Ingeniería Química. Con la ayuda de la Tecnología de los materiales se han alcanzado metas que parecían inaccesibles y que hasta años atrás formaban parte de lo inimaginable. Esta ha sido un factor clave en la historia del hombre: la edad de piedra de la humanidad; corresponde a la utilización de rocas, huesos y palos como herramientas, la edad de los metales corresponde al descubrimiento de estos y su aplicación en el combate, la edad media que se caracteriza por los experimentos de alquimia que permitieron el descubrimiento de otros materiales, la era industrial se caracterizó por el uso del acero, y por último la era actual en la que se ya no se habla de un solo material sino de varios. En la actualidad se ha reconocido que se existe una relación íntima entre la estructura, las propiedades y el procesamiento de los materiales, lo cual permite controlar este último para obtener las propiedades y estructura que se desean según la aplicación del material. El desarrollo tecnológico de los materiales es un factor muy importante en el avance económico y social. Las llamadas sociedades avanzadas, son las que poseen mayores estudios y conocimientos en este campo pues estos marcan algunas de las directrices de su desarrollo. Gran parte de los avances en los materiales se obtienen a raíz de las guerras, y han ocasionado una diferencia de condiciones de vida entre países, naciones como México que no han podido desarrollar 176

tecnologías propias en este rubro poseen una dependencia tecnológica y una economía basada en materias primas. Su importancia radica en que esta ingeniería brinda la oportunidad al hombre de adaptar su entorno a sus necesidades, al utilizar los materiales para lograr una “su adaptación artificial” que de otra forma le hubiera costado millones de años de evolución. Gracias a todos los estudios hechos hasta el día de hoy, los que aún están en procesos y los que viene en un futuro hacen que el ingeniero químico, tenga muchas más opciones con las cuales trabajar y esto facilita y da más comodidad a la vida del ser humano , que es la finalidad del mejoramiento continuo.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Castillo, M. H., y Castillo, J. A. (1997). Análisis y diseño de estructuras. Tomo 1 Resistencia

de materiales. México D.F: Alfaomega. Churchill, H. D., (1936). Physicaltesting of metals and interpretation of test results. En

American society for Metals, 109. Askeland, D. R. (2014). Ciencia e ingeniería de los materiales. México: Thompson. Seeley, F. B., y Smith, J. O. (1952). Advanced mechanics of metarials. London: Chapman & Hall. González, S. L. (2000). Introducción al comportamiento mecánico de los materiales. En

Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira, 24. http://www.monografias.com/trabajos46/fracturasmecanicas/fracturasmecanicas.shtml#ixzz3Urb7TX6K http://www.monografias.com/trabajos46/fracturasmecanicas/fracturasmecanicas2.shtml#ixzz3UradkGWx http://pelandintecno.blogspot.mx/2013/02/materiales-ceramicospropiedades.html#sthash.QpD6tR0K.dpuf http://educommons.anahuac.mx:8080/eduCommons/ingenieria-mecanica-yelectrica/ingenieria-de-materiales/tema-15 http://www.utp.edu.co/~publio17/aleaciones.htm

178

GLOSARIO 1. Abrasivo.- Es una sustancia que tiene como finalidad actuar sobre otros materiales con diferentes clases de esfuerzo mecánico. 2. Aislante.- Hace referencia a cualquier material que impide la transmisión de la energía en cualquiera de sus formas: con masa que impide el transporte de energía. 3. Aleación.- Combinación, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal. 4. Anisotrópicos.- Que tiene propiedades distintas en varias direcciones. 5. Atomización.- Producir gotitas liquidas finas que se congelan formando partículas sólidas. 6. Biodegradables.- Son los materiales que la naturaleza tarda poco tiempo en descomponerlos de forma natural en otras sustancias. 7. Calor Específico.- Cantidad de calor necesaria para lograr que una sustancia cambie de estado. 8. Calor Latente.- Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura pero no llegando a su punto de saturación. 9. Calor.- Energía en tránsito entre las fronteras de un sistema. 10. Cantidad de Eutéctico.- Cuando ambas fases individuales tiene más o menos la misma resistencia, cabe esperar que la resistencia eutéctica tenga la máxima resistencia debido al fortalecimiento por la dispersión efectiva 11. Capacidad Energética del Material.- La capacidad de un material para absorber o almacenar energía.

12. Carburos Cementados.- Es un material duro utilizado en el mecanizado de materiales resistentes tales como acero al carbono o acero inoxidable, así como en 179

situaciones en las que otras herramientas flaquean, como grandes series de producción. 13. Célula de carga.- Es la que se encarga de la aplicación de fuerzas para realizar la deformación. 14. Ciclo Senoidal.- La curva que representa gráficamente la función seno y también a dicha función en sí. 15. Clivaje.- Segmentación y Fractura. 16. Cloruro de Vinilo.- El cloruro de vinilo es un gas incoloro. Se incendia fácilmente y es inestable a altas temperaturas. Tiene un olor levemente dulce. Es una sustancia manufacturada y no ocurre naturalmente. 17. Coalescencia.- Es la posibilidad de que dos o más materiales se unan en un único cuerpo. 18. Composición.- Se refiere a qué sustancias están presentes en una determinada muestra y en qué cantidades. 19. Compresión.- Es la resultante de las tensiones o presiones que existen dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reducción de volumen del cuerpo, y a un acortamiento del cuerpo en determinada dirección. 20. Compuesto Intermetálicos.- Está compuesto por dos o más elementos metálicos que producen una nueva fase con su composición, estructura cristalina y características propias. 21. Conductividad Eléctrica.- Es la medida de la capacidad (o de la aptitud) de un material para dejar pasar (o dejar circular) libremente la corriente eléctrica. 22. Conductividad Térmica.- Es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor.

180

23. Conductor.- Es un material que ofrece poca resistencia al movimiento de carga eléctrica. 24. Confortabilidad.- Es aquello que produce bienestar y comodidades. 25. Contracción Interdendritica.- Consiste en pequeños poros de contracción entre dendritas. 26. Contracción.- Es el proceso un material desarrolla tensión y se acorta o estira (o bien pueden permanecer de la misma longitud) por razón de un previo estímulo de extensión. 27. Corrosión.- Deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. 28. Corte Directo.- Consiste en hacer deslizar una porción de suelo, respecto a otra a lo largo de un plano de falla predeterminado mediante la acción de una fuerza de corte horizontal incrementada, mientras se aplica una carga normal al plano del movimiento. 29. Crecimiento Epitaxial.- Hacer crecer películas delgadas altamente orientadas o de mono cristal. 30. Cruceta.- En esta se extraen los datos de la fuerza y deformación aplicada cada momento y lo envía a un ordenador para cuantificar los resultados. 31. Curvas Esfuerzo-Deformación.- Curva que expresa tanto el esfuerzo como la deformación en términos de las dimensiones originales de la probeta. 32. Deformación Elástica.- Es aquella en la que el material puede regresar a su estado original al retirarle la fuerza que hacía que este se deformara. 33. Deformación Plástica.- es aquella en la cual el material una vez deformado no puede regresar a su forma original

181

34. Deformación.- Es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo. 35. Dendrita.- Concepto que se utiliza para dar nombre a una extensión protoplásmica con ramificaciones. 36. Deslizamiento.- Es un tipo de corrimiento o movimiento de masa. 37. Desmoronante.- Que se fractura de manera múltiple y lentamente periódica. 38. Dilatación.- Es el aumento de tamaño que experimenta un material cuando se eleva su temperatura. 39. Dislocación de Borde.- Es un defecto lineal centrado alrededor de la línea definida por el extremo del semiplano de átomos extra. 40. Dislocación de Tornillo.- Se puede formar en estructuras cristalinas perfectas por la acción de un esfuerzo cortante o de cizalladura (tangencial) sobre una de las caras hasta el deslizamiento parcial por un plano cortante. 41. Dislocación Mixta.- Las dislocaciones que normalmente aparecen en los materiales reales son formas intermedias entre estas dos extremas y reciben el nombre de dislocaciones mixtas. 42. Doblado.- Deformación del metal alrededor de un eje recto. 43. Ductilidad.- Es una propiedad que presentan algunos materiales, los cuales bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse, permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material. 44. Dureza.- Es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras. 45. El módulo de resiliencia.- La energía almacenada por unidad de volumen en el límite elástico.

182

46. Elasticidad.- propiedad de los materiales de recuperar su forma original cuando deja de actuar sobre ellos la fuerza que los deformaba 47. Electrolisis.- Es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. 48. Embutido.- Se realiza colocando una lámina de metal sobre la cavidad de un dado y empujando el metal hacia la cavidad de este con un punzón. 49. Endurecimiento por Deformación.- Es el endurecimiento de un material por una deformación plástica a nivel macroscópico que tiene el efecto de incrementar la densidad de dislocaciones del material. 50. Esfuerzo Cortante.- Es todo aquel esfuerzo que no se aplica de manera estrictamente perpendicular sobre una superficie. 51. Esfuerzo de Cadencia.- Este es el punto en el que el material deja su deformación elástica y al superar por más mínimo la tensión ejercida este entrara en la zona de deformación plástica. 52. Esfuerzo de Rotura.- Verdadero esfuerzo generado en un material durante la rotura. 53. Esfuerzo.- Resistencia que ofrece un área unitaria del material del que está hecho un miembro para una carga aplicada. 54. Extrusión.- Es un proceso formado por comprensiones el cual el metal de trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a una sección transversal. 55. Fase.- Toda porción, que puede incluir a la totalidad de un sistema, que es físicamente homogénea dentro de sí misma y limitada por una superficie, de tal modo que sea mecánicamente separable de cualquier otra porción. 56. Fatiga.- Fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas.

183

57. Fibra

Óptica.-

Consiste

de

un

hilo

muy

fino

de

material

transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. 58. Fisura.- Es una hendidura en una superficie. 59. Flexión.- Solicitación mecánica a un momento perpendicular al eje longitudinal de un elemento de un mecanismo o de una estructura. 60. Forjado.- Es un proceso de deformación donde se comprime entre dos dados el material de trabajo. 61. Formado por Explosión.- Involucra el uso de una carga explosiva para formar una lámina o placa de metal dentro de la cavidad de un dado. 62. Fractura Dúctil.- Ocurre después de una intensa deformación plástica y se caracteriza por una lenta propagación de la grieta. 63. Fractura Frágil.- se produce a lo largo de planos cristalográficos llamados planos de fractura y tiene una rápida propagación de la grieta. 64. Fractura.- La pérdida de continuidad normal del material, a consecuencia de golpes, fuerzas o tracciones cuyas intensidades superen la elasticidad del mismo. 65. Fuente de Frank-Read.- Es un mecanismo que explica la generación de múltiples dislocaciones en planos de deslizamiento bien espaciadas específicos en los cristales cuando se deforman. 66. Fuerza.- Es la presión que se ejerce de manera perpendicular sobre la superficie de un material. 67. Fusibilidad.- Facilidad con que un material puede fundirse (pasar de líquido a solido o viceversa). 68. Fusión.- Cambio de estado de una sustancia de sólido a líquido. 69. Grieta.- Es una abertura larga y estrecha producto de la separación de los materiales. 184

70. Hemoepitaxia.- Cuando se hacen crecer películas delgadas de un material sobre el sustrato del mismo material. 71. Hidroplasticidad.- Capacidad que presentan las arcillas cuando por adicción de agua, aumentan su plasticidad hasta el punto de ser fácilmente moldeables. 72. Histéresis Elástica.- Es la energía disipada como calor en un material en un ciclo de ensayo dinámico. 73. Idóneo.- Adecuado y apropiado para algo. 74. Inclusiones.- Pequeñas partículas de impurezas. 75. Isotrópico.- Que tiene propiedades que son idénticas en todas direcciones. 76. Laminación.- Proceso industrial por medio del cual se reduce el espesor de una lámina de metal o de materiales semejantes con la aplicación de presión mediante el uso de distintos procesos.

77. Laminado.- Es un proceso en el cual se produce una reducción en el espesor del material por medio de rodillos que ejercen una fuerza de compresión sobre este. 78. Límite de proporcionalidad.- Es un segmento de recta rectilíneo, de donde se deduce la tan conocida relación de proporcionalidad entre la tensión y la deformación. 79. Límite Elástico.- La tensión máxima que un material elastoplástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. 80. Límite Elástico.- Es la tensión más allá del cual el material no recupera totalmente su forma original al ser descargado, sino que queda con una deformación residual llamada deformación permanente. 81. Límite Proporcional.- El mayor esfuerzo en el que el éste es directamente proporcional a la deformación. 82. Macroescalar.- Hace referencia a un a un proceso, plan o idea de gran tamaño.

185

83. Maleabilidad.- Facilidad de un material para extenderse en láminas o planchas. 84. Material.- Es una sustancia (elemento o, más comúnmente, compuesto químico) con alguna propiedad útil, sea mecánica, eléctrica, óptica, térmica o magnética. 85. Materiales Opacos.- No se pueden ver los objetos a través de ellos. 86. Materiales Transparentes.- Los objetos se pueden ver a través de ellos, pues dejan pasar los rayos de luz. 87. Materiales Traslúcidos.- Estos materiales permiten el paso de la luz, pero no dejan ver con nitidez a través de ellos. 88. Módulo de Compresión.- Está asociado con los cambios de volumen que experimenta un material bajo la acción de esfuerzos (generalmente compresores) que actúan perpendicularmente a su superficie.

89. Módulo de Resistencia.- La cantidad de trabajo por volumen unitario de un material requerida para conducir el material a la falla bajo carga estática.

90. Módulo de Tensión.- Está asociado directamente con los cambios de longitud que experimenta un cable, un alambre, una varilla, etc. cuando está sometido a la acción de tensiones de tracción o de compresión. 91. Módulo de Weibull.- Define que tan dispersa es la distribución del esfuerzo. 92. Módulo en Cortante.- Está asociado con el cambio de forma que experimenta un material bajo la acción de esfuerzos cortantes.

93. Nucleación.- Se generan pequeñas superficies de fase distinta a la existente, llamadas núcleos. 94. Oxidación.- Es la facilidad con la que un material se oxida, es decir, reacciona en contacto con el oxígeno del aire o del agua. 95. Plasticidad.- Propiedad de los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes. 96. Polietileno.- Es un polímero de cadena lineal no ramificada, es el más sencillo.

186

97. Polimerización.- Es un proceso químico por el que los monómeros se agrupan químicamente entre sí, dando lugar a una molécula de gran peso, llamada polímero. 98. Polímero.- Son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. 99. Polipropileno.- Este plástico resulta interesante por su bajo precio al obtenerse de derivados petroquímicos. 100.

Pulvimetalurgia.- Es un proceso de fabricación que, partiendo de polvos finos

y tras su compactación para darles una forma determinada (compactado), se calientan en atmósfera controlada (sinterizado) para la obtención de la pieza. 101.

Punto de Fluencia.- Es aquel donde en el aparece un considerable

alargamiento o fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que, incluso, puede disminuir mientras dura la fluencia. 102.

Punto de ruptura.- Es el punto exacto en que el material se rompe.

103.

Reciclables.- Son los materiales que se pueden reciclar, es decir su material

puede ser usado para fabricar otro diferente. 104.

Regla de Chvorinov.- El tiempo requerido para que se solidifique una pieza

colada simple. 105.

Resiliencia Elástica.- Es la cantidad de energía que puede recobrarse cuando el

esfuerzo es liberado del límite elástico.

106.

Resistencia de Cedencia.- Es el esfuerzo al cual ocurre un aumento de

deformación para cero incremento de esfuerzo. 107.

Resistencia.- Oposición que presenta un material.

108.

Reutilizable.- Se puede volver a utilizar pero para el mismo uso.

109.

Rigidez.- Es la capacidad de un elemento estructural para soportar esfuerzos

sin adquirir grandes deformaciones y/o desplazamientos.

187

110.

Segregación.- Separación preferencial de distintos elementos.

111.

Semiconductores.- Se dicen que son semiconductores si solo permiten el

paso de la corriente por ellos en determinadas condiciones. 112.

Sintético.-

Aquellos elementos químicos creados artificialmente y cuya

existencia no ha sido observada en la naturaleza. 113.

Soldabilidad.- Facilidad de un material para poder soldarse consigo mismo o

con otro material. 114.

Solidificación Direccional.- Es un proceso, en el que el molde se caliente en

un extremo y se enfría en otro para producir una, microestructura columnar, con todos los límites de granos en la dirección longitudinal de la parte. 115.

Sólido Amorfo.- Es aquél que no tiene una estructura periódica y ordenada,

es decir es totalmente aleatoria. 116.

Solido Cristalino.- Es aquél que tiene una estructura periódica y ordenada.

117.

Solubilidad Ilimitada.- Condición que se presenta cuando la cantidad de un

material que se disolverá en otro es ilimitada, sin crear segundas fases. 118.

Solubilidad limitada.- Condición referente a que solo se puede disolver

cantidad máxima de un material soluto en un material disolvente. 119.

Solubilidad.- Cantidad de un material que se disolverá completamente en un

segundo material sin formar una segunda fase. 120.

Sustancia.- Es una especie de materia homogénea de composición química

definida. 121.

Tensión.-

Es

la

fuerza

interna

aplicada,

que

actúa

por

unidad

de superficie o área sobre la que se aplica. También se llama tensión, al efecto de aplicar una fuerza sobre una forma alargada aumentando su elongación. 122.

Termoestable.- Que no se altera con facilidad por la acción del calor. 188

123.

Termoplásticos.- Es un plástico que, a temperaturas relativamente altas, se

vuelve deformable o flexible, se derrite cuando se calienta y se endurece en un estado de transición vítrea cuando se enfría lo suficiente. 124.

Torsión.- Solicitación que se presenta cuando se aplica un momento sobre

el eje longitudinal de un elemento constructivo o prisma, como pueden ser ejes o, en general, elementos donde una dimensión predomina sobre las otras dos. 125.

Tóxicos.- Estos materiales son nocivos para el medio ambiente, ya que pueden

resultar venenosos para los seres vivos y contaminan el agua, el suelo o la atmósfera. 126.

Tracción.- Esfuerzo interno que realiza un material por la aplicación de dos

fuerzas externas, que tienden a estirarlo. 127.

Trefilación.- Es una operación donde la sección transversal de la barra, varilla

o alambre se reduce a través de una abertura. 128.

Vector de Burgers.- Vector desplazamiento necesario para cerrar un circuito

realizado por paso a paso alrededor del defecto. 129.

Visco

elástico.-

Material

que

presenta

un

tipo

de

comportamiento reológico anelástico que presentan ciertos materiales que exhiben tanto propiedades viscosas como propiedades elásticas cuando se deforman. 130.

Zona de Enfriamiento rápido.- Es una banda angosta de grano de

orientación aleatoria de la superficie de la pieza. El metal en la pared del molde es el primero que llega a la temperatura de solidificación.

189