Captulo I341.7 CLASIFICACIN DE LOS MATERIALES PARA MANUFACTURALa mayora de los materiales de ingeniera pueden clasificarse en: metales y no metales dentro dela categora de los no metlicos se tiene a: los cermicos y polmeros; entre los metales los cermicos ylos polmetros se forma un grupo de tres materiales bsicos utilizados en la manufactura. Tanto suscaractersticas qumicas como sus propiedades fsicas y mecnicas son diferentes; estas diferenciasafectan los procesos de manufactura. Adems de estas tres categoras bsicas existe otra: los materialescompuestos, los cuales son mezclas no homogneas de los otros tres tipos bsicos de materiales. Lacosificacin de materiales y la relacin de los grupos de se muestra en la figura 1.3.1.7.1METALESLos metales usados en la manufactura son comnmente aleaciones, las cuales estn compuestasde dos o ms elementos, en donde por lo menos uno es metlico. Los metales pueden dividirse en dosgrupos: 1) ferrosos y 2) no ferrosos.Metales ferrosos Los metales ferrosos se basan en el hierro; el grupo incluye acero y hierrocolado; stos constituyen el grupo de materiales comerciales ms importantes y comprende ms de lastres cuartas partes del tonelaje de metal que se utiliza en todo el mundo. El hierro puro tiene poco usocomercial; pero aleado con el carbn tiene ms usos y mayor valor comercial que cualquier otro metal.Las aleaciones de hierro y carbn pueden formar acero y hierro colado.Los aceros de baja aleacin son aleaciones hierro-carbono que contienen elementos aleantes adicionalesen cantidades que totalizan menos del 5% en peso, aproximadamente. Debido a estas adiciones, losaceros de baja aleacin tienen propiedades mecnicas que son superiores a los aceros al carbono paralas aplicaciones dadas. Las propiedades superiores significan usualmente mayor resistencia, dureza,dureza en caliente, resistencia al desgaste, tenacidad y combinaciones ms deseables de estaspropiedades. Con frecuencia se requiere el tratamiento trmico para lograr el mejoramiento de estaspropiedades.UMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo I35Los elementos comunes que se aaden a la aleacin son el cromo, el manganeso, el molibdeno, elnquel y el vanadio, algunas veces en forma individual, pero generalmente en combinacin. Estoselementos forman soluciones slidas con el hierro y compuestos metlicos con el carbono (carburos).UMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo I36Suponiendo que exista la cantidad suficiente de carbono para reaccionar. Podemos resumir los efectosde los principales elementos como sigue: Cromo (Cr). Mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y dureza en caliente. Es uno delos ms efectivos elementos de aleacin para incrementar la templabilidad. El cromo mejorasignificativamente las propiedades de resistencia a la corrosin. Manganeso (Mn). Mejora la resistencia y dureza del acero. Cuando el acero se trata trmicamente,el incremento de manganeso mejora la templabilidad. Debido a esto, el manganeso se usaampliamente como elemento de aleacin en el acero. Molibdeno (Mo). Aumenta la tenacidad, la dureza en caliente y la resistencia a la termoinfluencia.Tambin mejora la templabilidad y forma carburos para resistencia al desgaste. Nquel (Ni). Mejora la resistencia y tenacidad. Incrementa la templabilidad, pero no tanto como losotros elementos de aleacin en el acero. En cantidades significativas mejora la resistencia a lacorrosin y es otro de los elementos mayoritarios (adems del cromo) en ciertos tipos de aceroinoxidable. Vanadio (V). Inhibe el crecimiento de los granos durante el procesamiento a temperaturas elevadasy durante el tratamiento trmico, lo cual mejora la resistencia y tenacidad del acero. Tambin formacarburos que incrementan la resistencia al desgaste.Las especificaciones AISI-SAE de muchos de los aceros de baja aleacin se presentan en la tabla1.5, que indica los anlisis qumicos nominales. El contenido de carbono se especifica por XX enporcentaje de carbnEl hierro colado es una aleacin de hierro y carbn (2 a 4%) que se utiliza en fundicin(principalmente fundicin en arena). En esta mezcla tambin se encuentra presente el silicio (encantidades desde 0.5 a 3%), y frecuentemente se agregan otros elementos para obtener propiedadesdeseables en el producto final. El hierro colado se encuentra disponible en diferentes formas, de lascuales se describen a continuacinFundicin gris La fundicin gris representa el mayor tonelaje entre las fundiciones de hierro. Tieneuna composicin que vara entre 2.5 y 4 % de carbono y 1 a 3% de silicio. Las reacciones qumicasinternas derivan en la formacin de hojuelas de grafito (carbono) distribuidas a todo lo largo del productofundido en la solidificacin. Esta estructura es la causa de que la superficie del metal tenga un color griscuando se fractura; de aqu el nombre de fundicin gris. La dispersin de las hojuelas de grafitorepresenta dos propiedades atractivas: 1) buena amortiguacin a la vibracin, que es una caractersticadeseable en motores y otras mquinas; y 2) cualidades de lubricacin internas, que hacen maquinable lafundicin.TABLA 1.5 Especificaciones de aceros AISI-SAETipoNombre del AceroCr Anlisis qumico nominal %Mn Mo NiVPSSiUMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo I10 XX11 XX12 XX13 XX20 XX31 XX40 XX41 XX43 XX46 XX47 XX48 XX50 XX52 XX61 XX81 XX86 XX88 XX92 XX93 XX98 XXFuente [4]Al carbonoResulfuradoResulfuradoRefosforadoManganesoAceros al nquelNquel-cromoMolibdenoCromo-molibdenoNi-Cr-MoNquel-molibdenoNi-Cr-MoNquel-molibdenoCromoCromoCr-vanadoNi-Cr-MoNi-Cr-MoNi-Cr-MoSilicioNI-Cr-MoNi-Cr-Mo1.20.80.41.40.80.40.50.50.41.00.80.60.80.80.70.60.60.60.40.40.80.80.80.80.80.60.80.10.250.10.20.353.01.00.250.20.250.250.20.250.30.50.50,11.81.81.03.51.70.50.61.00.040.040.040.040.040.040.040.040.040.040.020.040.040.040.040.040.020.040.040.040.040.040.040.040.040.040.040.040.020.040.040.040.040.040.020,040.30.20.30.20.30.20.30.3 ,0.30.3030.30.30.30.32.00.30.30.40.90.90.040.010.100.050,120.220.010.0137Fundicin nodular (dctil) Es un hierro con la composicin del hierro gris, en la cual el metal fundidose trata qumicamente antes de vaciarlo para provocar la formacin de ndulos de grafito en lugar dehojuelas. El resultado es un hierro ms fuerte y ms dctil, de aqu el nombre de fundicin dctil. Susaplicaciones incluyen componentes de maquinaria que requieren alta resistencia mecnica y buenaresistencia al desgaste. Sus caractersticas se muestran en la TABLA 1.6Fundicin blanca Posee menor contenido de carbono y silicio que la fundicin gris. Se formamediante un enfriamiento ms rpido del metal fundido despus de haberlo vaciado, esto causa que elcarbono permanezca combinado qumicamente con el hierro en forma de cementita (carburo de hierro),en lugar de precipitar la solucin en forma de hojuelas. Cuando la superficie se fractura tiene unaapariencia blanca cristalina que da su nombre a la fundicin. Debido a la cementita, la fundicin blanca esdura y frgil, y su resistencia al desgaste es excelente. Su resistencia mecnica se muestra en la TABLA1.6. Estas propiedades de la fundicin blanca la hacen adaptable para aplicaciones donde se requiereresistencia al desgaste. Las zapatas para freno de ferrocarril son un ejemplo clsico.Fundicin maleable Cuando las piezas de fundicin blanca se tratan trmicamente para separar elcarbono en solucin y formar agregados de grafito, el metal resultante se llama fundicin maleable. Lanueva microestructura puede tener una ductilidad sustancial (arriba de 20% de elongacin), que es unadiferencia significativa con respecto al metal del cual procede. Los productos tpicos hechos con fundicinUMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo I38maleable incluyen accesorios para tubera y bridas, algunos componentes para mquinas y partes deequipo ferroviario. Sus principales caractersticas se presentan en la TABLA 1.6La resistencia de la fundicin gris abarca un rango significativo. La American Society for TestingMaterials (ASTM) utiliza un mtodo de clasificacin para la fundicin gris, TABLA 1.6 pretende suministrarlas especificaciones mnimas. La resistencia a la compresin de la fundicin gris es significativamentemayor que su resistencia a la tensin. Las propiedades de las fundiciones se pueden controlar de algunaforma por tratamiento trmico. La ductilidad de la fundicin gris es muy baja, es un material relativamentefrgil. Los productos hechos con fundicin gris incluyen monobloques y cabezas para motores deautomviles, crteres y bases de mquinas herramientas.TABLA 1.6 Composicin y propiedades mecnicas de fundiciones de hierroseleccionadasTipoFundiciones grises Clase 20 Clase 30 Clase 40 Clase 50Fundiciones dctiles ASTM A395 ASTM A476Fundiciones blancas Bajo-CFundiciones maleables Ferrticas PerlticasFe93.093.693,893.594.493.8,92.595.395.1Composicin Tpica aCSi MnOtros3.53.23.13.03.03.02.52.62.42.52,11.91.62.53.01.31.41.40.40.40.81.5 Ni, 1 Cr, O.5 Mo0.650.750.851,0Resistencia a la TensinMPaElongacin %1382072763454145522763454140.60.60.60.618 3010100.67 MoRecopilada de [4].Las fundiciones de hierro se identifican por varios sistemas. Hemos tratado de indicar elgrado particular de la fundicin usando la identificacin ms comn para cada tipo.aLas fundiciones de hierro contienen tambin fsforo y azufre, totalizando generalmentemenos de 0.3%.Metales no ferrosos Los metales no ferrosos incluyen elementos metlicos y aleaciones que nose basan en el hierro. Los metales de ingeniera ms importantes en el grupo de los no ferrosos son elaluminio, el cobre, el magnesio, el nquel, el titanio, el zinc y sus aleaciones.Aunque el grupo de metales no ferrosos no puede igualar la resistencia de los aceros, algunasaleaciones no ferrosas tienen caractersticas, como resistencia a la corrosin y relaciones resistencia-peso, que los hacen competitivos con los aceros en aplicaciones para esfuerzos moderados y altos.Adems, muchos de ellos tienen otras propiedades distintas a las mecnicas que los hacen ideales paraaplicaciones en las que el acero podra ser inadecuado. Por ejemplo, el cobre tiene una de las menoresresistividades elctricas entre los metales y es ampliamente usado para conductores elctricos. Elaluminio es un excelente conductor trmico y sus aplicaciones incluyen intercambiadores de calor yutensilios de cocina. Tambin es uno de los metales ms fciles de formar, por esa razn es muyUMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo I39apreciado. El zinc tiene un punto de fusin relativamente bajo, por lo cual se utiliza ampliamente enoperaciones de fundicin en dados. Los metales no ferrosos comunes tienen su propia combinacin depropiedades que los hacen tiles para una variedad de aplicaciones. Seguidamente, analizarnos losmetales no ferrosos ms importantes tanto comercial como tecnolgicamente.El Aluminio (Al) tiene una alta conductividad elctrica y trmica, y su resistencia a la corrosin esexcelente debido a la formacin de una pelcula superficial dura y delgada de xido. Es un metal muydctil y notable por su facilidad de formado. El, aluminio puro tiene una resistencia relativamente baja,pero puede alearse y tratarse trmicamente para competir con algunos de los aceros, especialmentecuando el peso es una consideracin de importancia.El sistema de especificaciones para el aluminio es un nmero de cdigo de cuatro dgitos. Elsistema tiene dos partes, una para aluminios forjados y la otra para fundiciones de aluminio. La diferenciaes que se usa un punto decimal despus del tercer dgito para fundiciones de aluminio. Lasdesignaciones se presentan en la TABLA 1.7.TABLA 1.7 Especificaciones de aleacin de aluminio forjadas y en fundicinGrupo de aleacinAluminio 99% o mayor purezaAleaciones de aluminio por elemento(s) mayor(es): Cobre Manganeso Silicio y cobre y/o magnesio Silicio Magnesio Magnesio y silicio Zinc EstaoOtrosCdigo para Forjado1 XXX2 XXX3 XXX4 XXX5 XXX6 XXX7 XXX8 XXXCdigo para Fundicin1 XX.X2 XX.X3 XX.X4 XX.X5 XX.X7 XX.X8 XX.X9 XX.XDado que el endurecimiento por trabajo y los tratamientos trmicos influyen en las propiedades delas aleaciones de aluminio, el templado debe designarse adicionalmente al cdigo de composicin. Estadesignacin se adjunta a los nmeros precedentes de cuatro dgitos, separndola con un guin paraindicar el tratamiento o la ausencia del mismo, por ejemplo 1050-O. Desde luego, los tratamientos detemple que especifican endurecimiento por trabajo no se aplican a las de aleaciones de fundicin. En latabla 1.8 se muestran algunos ejemplos de diferencias notables en las propiedades mecnicas de lasaleaciones de aluminio que resultan de diferentes tratamientos,TABLA 1.8 Composicin y propiedades mecnicas de aleaciones de aluminioseleccionadasCdigoComposicin tpica %AlCuFeMgMnSi Resistencia a la tensin ElongacinTemple MPa %AplicacionesUMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo I10501100202499.599.093.54.40.40.60.51.51.00.61.20.30.30.5 OH18 OH18 OT3 OH36 OH 18 OH38 76159 9016518548518026013028512520039 74010201822 725 118 340Lamina, piezas huecas, aletasProductos para maquina,estructuras de aviones, Piezasforjadas, hlices de avinUtensilios de cocina, equipo paraqumica, recipientes presin,tanques de almacenamientoArtefactos domsticos, detallesarquitectnico, conductoreselctricos, perfiles estructurales,serpentines, tubos hidrulicosRecipientes de presin soldadosque no se calientan, serviciomarino, piezas para vehculoscomponentes criognicos paraaviones, antenas de TV,alambres y varillas para remache30044043505096.593.596.90.30.30.20.70.80.71.40.70.10.35.20.4606398.50.30.4OT4 901722520 Recocido para aliviar esfuerzos por deformacin y ductilidad mejorada; se reduce la resistencia al nivel mas bajoH18 H = Endurecimiento por deformacin (aluminio Forjado). 1 = Ningn tratamiento despus del endurecimiento, grado de endurecimiento 8H36 H = Endurecimiento por deformacin (aluminio Forjado). 3 = Estabilizado (calentado a una temperatura ligeramente mayor de la que se anticipa en el servicio) grado de endurecimiento 6T3Solucin tratada trmicamente, trabajada en fri, envejecida naturalmenteT4Solucin tratada trmicamente y envejecida naturalmenteRecopilada [4]OEl Magnesio (Mg) Es el mas ligero de los metales estructurales. Su gravedad especfica es 1.47.El magnesio y sus aleaciones se encuentran disponibles en ambas formas forjadas y en fundicin. Sumaquinado es relativamente fcil. Sin embargo las partculas de magnesio (como pequeas virutas) seoxidan rpidamente y debe tenerse cuidado para evitar riesgos de incendio.El magnesio como metal puro es relativamente suave y carece de la suficiente resistencia para lamayora de las aplicaciones en ingeniera.Sin embargo se puede alear y tratar trmicamente para logra resistencias comparables a lasaleaciones de aluminio. En particular su razn resistencia-peso es muy ventajosa para componentes deaviacin y proyectiles.El esquema de especificaciones para aleaciones de magnesio usa un cdigo de tres a cincocaracteres alfanumricos. Los dos primeros son letras que identifican a los principales elementos de laaleacin en el cdigo se pueden especificar hasta dos elementos en orden decreciente de porcentajes, oen orden alfabtico a porcentajes iguales. Estas letras clave se enlistan en la tabla 1.9, y van seguidaspor un nmero de dos dgitos que indica, respectivamente, las cantidades de los dos elementos alporcentaje ms cercano. Finalmente, el ltimo smbolo es una letra que indica algunas variaciones en lacomposicin o simplemente el orden cronolgico en que fue normalizada para uso comercial. LasUMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo I41aleaciones de magnesio tambin requieren especificacin de un temple, para las aleaciones de magnesiose usa el mismo esquema bsico que se presenta para el aluminioTABLA 1.9 [4]Letras clave usadas para identificar los elementos en las aleaciones de magnesio.AEHKMaluminio(Al)metales de tierras rarastorio (Th)circonio (Zr)manganeso (Mn)P plomo (Pb)Q plata (Ag)S silicio (Si)T estao (Sn)Z zinc Zn)En la tabla 1.10 se presentan algunos ejemplos de aleaciones de magnesio que ilustran elesquema de especificaciones e indican la resistencia a la tensin y ductilidad de estas aleaciones y susaplicacionesTABLA 1.10 Composicin y propiedades mecnicas de aleaciones de magnesioseleccionadas. [4]CdigoAZ10AAZ80AHM31AZK21AAM60AZ63AComposicin tpica %Mg98.091.095.897.192.891.06.06.00.10.5Al1.38.5Mn0.21.2Si0.1Zn0.40.5OtrosProcesoTrabajadoForjado Resistencia a la tensin ElongacinMPa %240103302832602202001110466AplicacionesAeroespaciales, ProyectilesBicicletasProtecciones de cadenasEquipaje y en otrasaplicaciones que requierenpeso ligero3.0 Th2.30.23.00.6 Zr0.3 CuTrabajadoTrabajadoFundicinFundicinEl cobre (Cu) es uno de los metales mas conocidos por los seres humanos desde la antigedad.El cobre puro tiene un color rosado rojizo caracterstico, pero su propiedad ms distintiva en ingeniera essu baja resistividad elctrica, una de las ms bajas de todos los elementos. Debido a sta propiedad y asu abundancia relativa en la naturaleza, el cobre, comercialmente puro es ampliamente usado comoconductor elctrico (es preciso sealar que la conductividad del cobre disminuye significativamentecuando se aaden elementos de aleacin). El cobre es tambin un excelente conductor trmico. El cobrees uno de los metales nobles (como el oro y la plata), de suerte que es resistente a la corrosin. Todasestas propiedades se combinan para hacer del cobre uno de los metales ms importantes.Por otra parte, la resistencia y dureza del cobre son relativamente bajas, especialmente cuando setoma en cuenta el peso. En consecuencia, para mejorar su resistencia (y por otras razones), el cobre sealea frecuentemente. El bronce es una aleacin de cobre y estao (alrededor de 90% Cu y 10% Sn), apesar de su antigedad ancestral an se utiliza ampliamente en la actualidad. Se han desarrolladoaleaciones adicionales de bronce basadas en otros elementos fuera del estao; stas incluyen broncesUMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo I42de aluminio y silicio. El latn es otra aleacin familiar de cobre, compuesta de cobre y zinc (alrededor de65% Cu y 35% Zn). La aleacin con mayor resistencia del cobre es el berilio-cobre (solamente un 2%Be). Puede tratarse trmicamente para obtener resistencias a la tensin de 1035 MPa. Las aleacionesBe-Cu se usan para resortes,La especificacin de aleaciones de cobre se basa en el United Numbering System for Metls andAlloys (UNS), el cual usa un nmero de cinco dgitos precedidos por la letra C (C de cobre). Lasaleaciones se procesan en las formas: forjada y de fundicin, y el sistema de especificacin incluyenambas. En la tabla 1.11 se presentan algunas aleaciones de cobre con sus composiciones y suspropiedades mecnicas.TABLA 1.11 Composicin y propiedades mecnicas de aleaciones de cobreseleccionadas.CdigoComposicin tpica %BeNiSnCuC10100C1100099.9999.95Zn Resistencia a la tensin ElongacinMPa %2352204545AplicacionesConductores elctricos, conmutadoresInterruptores, barras colectoras,piezas electrnicas, terminales,disipadores de calorResortesNcleos de radiadores,joyera, extinguidores de incendioPiezas de embutido profundo y de rotacin,ojillos, cartuchos para armas pequeasContactos de muelle, diafragmas,instrumentosPiezas de bombas, vstagos de vlvulas,engranes, sinfines,conexiones de compresinC17000C24000C26000C52100C71500 aC7150098.080.070.092.070.070.01.7b50020.030.00.82903003803805804552687045330.030.0Recopilada de [4].aTratada trmicamente para alta resistencia.bPequeas cantidades de Ni y Fe ms 0.3% de Cu.El nquel (Ni) es un elemento similar al hierro en muchos aspectos; Es magntico y su mdulo deelasticidad es prcticamente el mismo que el hierro y el acero. Difiere del hierro en que es mucho msresistente a la corrosin y las propiedades de sus aleaciones a altas temperaturas son generalmentesuperiores. Debido a sus caractersticas de resistencia a la corrosin, se usa ampliamente como 1) unelemento de aleacin en acero, tal como el acero inoxidable y 2) como un metal de chapeado sobre otrosmetales como el acero al carbono. Las aleaciones de nquel son comercialmente importantes por smismas y notables por su resistencia a la corrosin y su desempeo a altas temperaturas. Lacomposicin, la resistencia a la tensin y la ductilidad y aplicaciones de algunas aleaciones de nquel sedan en la tabla 1.12.UMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo ITABLA 1.12 Composicin y propiedades mecnicas de aleaciones de nquelseleccionadas43Cdigo270200400600230Composicin tpica %Ni99.999.066.874.052.816.022.0CrCuaFeaMn0.20.21.00.4Si0.20.50.50.4OtrosC, SCb Resistencia a la tensin ElongacinMPa %3454625506558605047404047AplicacionesElemento de aleacin enaceros inoxidables, laminadometlico en acero, aplicacionesque requieren resistencia aaltas temperaturas y a lacorreccin0.230.00.50.32.58.03.0Recopilada de [4]aIndicios.bOtros elementos de aleacin en el Grado 230: 5% Co, 2% Mo, 14% W, 0.3% Al y 0.1 % C.TABLA 1,13 Composiciones y propiedades mecnicas tpicas de aleaciones de titanioseleccionadas.CdigoR50250R56400R54910R56620Composicin tpica %Ti99.889.690.084.36.08.06.00.80.8Resistencia a la tensinOtrosbAlCuFe0.20.3V4.01.06.0MPa2401000Elongacin %24121513AplicacionesComponentes de motores depropulsin a chorro, otrasAplicaciones aerospaciales,Prtesis e implantes.1 Mo2 Snb9851070bRecopilada de [4]aSistema de numeracin unificada (UNS).bIndicios de C, H, 0.El titanio (Ti) es medianamente abundante en la naturaleza, constituye cerca del 1% de la cortezaterrestre (el aluminio es el ms abundante y constituye el 8%). La densidad del titanio est entre la delaluminio y la del hierro; Su importancia ha crecido en las dcadas recientes debido a sus aplicacionesaerospaciales, en las cuales se explota su peso ligero y su buena razn resistencia-peso. El coeficientede expansin trmica del titanio es relativamente bajo comparado con otros metales. Es ms rgido yfuerte en comparacin con el aluminio y tiene buena resistencia a temperaturas elevadas. El titanio puroes reactivo, lo cual presenta problemas para su procesamiento, especialmente en estado fundido. Sinembargo, a temperatura ambiente forma un delgado recubrimiento adherente de xido (Ti02) quesuministra excelente resistencia a la corrosin.Estas propiedades dan lugar a dos reas principales de aplicacin del titanio: 1) en estadocomercialmente puro, el titanio se usa para componentes resistentes a la corrosin, tales comocomponentes marinos, implantes y prtesis; y 2) las aleaciones del titanio se usan como componentescon alta resistencia en un rango de temperaturas, desde la ambiente hasta 550 C especialmente dondese aprovecha su excelente relacin resistencia-peso. Estas ltimas aplicaciones incluyen componentesde aviones y de proyectiles. Algunos de los elementos de aleacin usados con el titanio incluyen alUMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo I44aluminio, el manganeso, el estao y el vanadio. En la tabla 1.13 se presentan algunas composiciones ypropiedades mecnicas de algunas de sus aleaciones.El zinc (Zn). Su bajo punto de fusin lo hace atractivo como un metal de fundicin. Tambinsuministra proteccin contra la corrosin cuando se aplica como recubrimiento sobre el acero o hierro; eltrmino acero galvanizado se refiere al acero que ha sido recubierto con zinc. Las aleaciones de zinc seusan ampliamente en la fundicin de dados para producciones masivas de componentes destinados a laindustria automotriz y de accesorios. Otra aplicacin importante del zinc se encuentra en la galvanizacindel acero. Como su nombre lo indica, se crea una celda galvnica en el acero galvanizado (Zn es elnodo y el acero es el ctodo), la cual protege al acero de los ataques de la corrosin. Finalmente, untercer uso importante del zinc se encuentra en el latn. Como se seal antes, esta aleacin consiste endos metales, cobre y zinc en la relacin aproximada de dos terceras partes de Cu y una tercera parte deZn. Esta aleacin fue descrita ya en nuestro anlisis del cobre. En la tabla 1.14, se enlistan variasaleaciones de zinc y sus datos relativos a la composicin, resistencia a la tensin y aplicaciones.TABLA 1.14 Composiciones, resistencia a la tensin y aplicaciones de aleaciones dezinc seleccionadas.CdigoZ33520Z35540Z35635Z35840Z4533095.693.491.070.998.9 Composicin tpica %ZnAlCu MgFe4,04.08.027.00.252.51.02.01.00.040.040.020.020.010.10,1Resistenciaa la tensin MPa283359374425227AplicacionesFundicin en dadosFundicin en dadosAleacin para fundicinAleacin para fundicinAleacin para laminad0.060.07Recopilada de [4]1.7.2CERMICOSUn material cermico se define comnmente como un compuesto que contiene elementos metli-cos (o semimetlicos) y no metlicos. Los elementos no metlicos tpicos son el oxgeno, el nitrgeno y elcarbn. Algunas veces se incluye en la familia de los materiales cermicos al diamante, el cual no seajusta a la definicin anterior.Los materiales cermicos abarcan una gran variedad de materiales tradicionales y modernos. Entrelos materiales tradicionales que se han usado por miles de aos se encuentran: el barro, cuyadisponibilidad en la naturaleza es abundante, y est compuesto por finas partculas de silicatos hidrata-dos de aluminio y otros minerales, el cual se usa para hacer ladrillos, tejas y alfarera; la slice (SiO2),base de casi todos los productos de vidrio; la almina (ALO3) y el carburo de silicio, dos materialesabrasivos usados en procesos de esmerilado.Los materiales cermicos modernos incluyen algunos de estos materiales, como la almina, cuyaspropiedades se mejoran de varias formas mediante mtodos modernos de proceso. Los materialescermicos ms nuevos incluyen carburos de metales, como el carburo de tungsteno y el carburo deUMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo I45titanio que son empleados ampliamente en la fabricacin de buriles, y los nitruros metlicos ysemimetlicos como el nitruro de titanio y el nitruro de boro que se usan como herramientas de corte yabrasivos.Los materiales cermicos pueden dividirse para propsitos de proceso en: 1) cermicos cristalinosy 2) vidrios. Se requieren diferentes mtodos de manufactura para los dos tipos. Los materialescermicos cristalinos son formados de diversas maneras a partir de polvos y luego se sinterizan (secalientan a una temperatura por debajo del punto de fusin para aglutinar y endurecer los polvos). Losmateriales vtreos (vidrio) pueden derretirse, vaciarse y luego formarse mediante procesos como eltradicional soplado de vidrio.1.7.3POLMEROSUn polmero es un compuesto formado por repetidas unidades estructurales llamadas meros cuyostomos comparten electrones para formar molculas muy grandes. Los polmeros estn constituidosgeneralmente por carbn y otros elementos como hidrgeno, nitrgeno, oxgeno y cloro. Los polmeros sedividen en tres categoras: Polmeros termoplsticos, Polmeros termofijos y ElastmerosPolmeros termoplsticos. Los termoplsticos pueden someterse a mltiples ciclos decalentamiento y enfriamiento sin alterar sustancialmente la estructura molecular del polmero. Lostermoplsticos tpicos a temperatura ambiente poseen las siguientes caractersticas: 1) menor rigidez, elmdulo de elasticidad es de dos a tres veces ms bajo que los metales y los cermicos; 2) la resistenciaa la tensin es ms baja, cerca del 10% con respecto a la de los metales; 3) dureza muy baja; y 4)ductilidad ms alta en promedio, con un tremendo rango de valores, desde una elongacin del 1 % parael poliestireno, hasta el 500% o ms para el propileno. En cuanto a sus propiedades fsicas, los polmerostermoplsticos poseen: 1) densidades ms bajas que los metales y los materiales cermicos, lasgravedades especficas tpicas para los polmeros son alrededor de 1.2, para los cermicos alrededor de2.5, y para los metales alrededor de 7.0, 2) coeficientes de expansin trmica mucho ms altos,aproximadamente cinco veces el valor de los metales y 10 veces el de los cermicos; 3) temperaturas defusin muy bajas; 4) conductividades trmicas que son alrededor de tres rdenes de magnitud ms bajosque los de los metales, y 5) propiedades de aislamiento elctricoLos productos termoplsticos incluyen artculos moldeados y extruidos, fibras, pelculas y lminas,materiales de empaque, pinturas y barnices. Se adquiere normalmente en forma de polvos o pellets(grano grueso). Los polmeros TP ms importantes se analizarn segn la norma ASTM por ordenalfabtico en la tabla 1.15Tabla 1.15 Plsticos Termoplsticos principales [3]Clase Resis. a laTensin MPa Temp.Mx. deservicio CPropiedadesimportantesProceso de fabricacin (materia prima)AplicacionesUMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo IABS28-55120Dureza, rigidez ytenacidad; amplioespectro depropiedades;degradables en laintemperieFortaleza y rigidez conbuena resistencias a lahumedad, calor yqumicos; resiste lamayora de lossolventes pero no loscidos mineralesfuertesResistencia moderada,suavidad, bajaresistencia al calor ;buena ptica, clara acoloreada; buenaresistencia elctricaTenacidad, facilidad deproceso; buenatransparencia y brillo desuperficie; muchoscolores; resistenciamoderada al calorResistencia qumicasobresaliente, a laelectricidad y a latemperatura, a laintemperie baja friccin;baja resistenciamecnica pero puedereforzarse; tenaz a bajatemperaturaLigero, tenaz,transparente y flexibleno rgido y ciertafluenciaBuena ductilidadestabilidad ypropiedades a bajatemperaturaAlta resistencia, rigidez, resistente a latemperatura,electricidad y losqumicos, absorbeagua, se suaviza consolventesExtrusin, moldeo,formado en fro,calandrado (resina yaditivos)46Molduras de automvil,impulsores - cajas,tubera, cascos, perillas,rejillas, alojamientosAcetales:55-6980-105Extrusin, moldeo,formado, maquinado(resinas, algunos confibras de vidrio y otrosrellenos y aditivos)Engranes, piones,carretillas, muelles dehojas, cojinetes,palancas, abanicos,tubera, vlvulasAcrlicos:42-6960-110Extrusin, moldeo,termoformadorevestimiento,maquinado (compuestosmoldeados y lminascoladas)Extrusin, moldeo,termoformado,revestimiento,maquinado (moldeo decompuestos, pelculas,hojas, barras, polvos)Extrusin, moldeo,revestimiento formado,colado por dispersin,maquinado (granulados,perdigonado, polvos ydispersiones conagregado de rellenos,pelculas, hojas)Extrusin, moldeo,termoformado (resinas yestabilizadores)Extrusin, moldeo,termoformado; (variosgrados de resinas,algunos reforzados)Extrusin, moldeo,sintetizado, formado,colado, revestimiento,maquinado (slido ylquido, resinas conrellenos y refuerzo)Lentes, letreros,decoraciones,exhibidores denovedades, cartulas,acabados transparenteso coloreados, botellas.Perillas, manijas,aparatos domsticosacabados transparentesy coloreados, bolas debillar, tuberas, volantesde automvilCojinetes, sellos,tubera, aislamientoelctrico, esmaltes,revestimientos que nose vuelven pegajososcon la temperatura,superficies noadherentes, blindajesablativosPelculas, juguetes,contenedores, charolas,aislamiento dealambresPartes en flujo de agua,dispositivoselectrnicos, aparatosdomsticosTelas, cerdas, suturas,tubos, cojinetes, camas,engranes, empaques,aislamientoCelulsicos:10-5950-90Fluoro-plsticos.17-45175-290Lonmeros14-3470Fenoxis48-11775Poliamidas55-207120-150Tabla 1.15 Plsticos Termoplsticos principales (Continuacin)Clase Resis. a laTensin Temp.Mx. deservicioPropiedadesimportantes Proceso de fabricacin(materia prima)AplicacionesUMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo IMPa62-72 C12047PolicarbonatosAlta resistenciamecnica, elctrica,hasta -170C;ductilidad, rigidez ytransparenciaBuena resistenciaqumica, al agua,abrasin y resistenciaelctrica, tenacidadTenaz hasta 98C;buena resistenciaqumica, a la humedady elctrica; bajafriccin; plstico dems uso; flexible yrgidoFuerte, rgido y establecon excelenteresistencia al calor,abrasin, fluencia yradiacin; flexible a270CResistencia qumica,humedad yelectricidad; gradosespeciales pararesistencia al impacto yservicio a temperaturasaltas y bajasBuena resistenciaelctricaExtrusin, moldeo,espumas,maquinado (resinasy hojas)Extrusin y moldeo(resinas, algunasreforzadas)Trabajado en todoslos procesos(resinas conaditivos)lentes, cubiertas, mirillasde calibradores,accesorios de alumbrado,bolas de cojinetesBombas, medidores,engranes, rodillos,componenteselectromecnicosAlojamientos, tuberas,ductos, botellas, cubetas,tanques, objetos caseros,juguetes, revestimientos,pelculas, empaquesPolisteres55-121110Polietilenos4-4890Polimidas69-172315Moldeo ysinterizado (polvo,revestimiento,pelculas, formasslidas)Extrusin, moldeo,laminado,revestimientosinterizado (resinacon aditivos)Vlvulas, aislamientoelctrico, cientos de partesen cada motor de chorroPolipropilenos34-59120Equipo elctrico, bisagras,tubera, empaque,equipaje, molduras deautomvilPoliestirenos14-5560-80Extrusin, moldeo,termoformado,espumado (resinacon aditivos)Tubera, juguetes,aislamiento a altafrecuencia, cajas debateras, placas dentales,vajillas y aparatosdomsticos.Partes elctricas y paraautomvil, alojamiento,tubera, aislamiento decablesPisos y cubiertas deparedes, tapicera, ropaimpermeable, laterales decasas, tuberas, juguetes,aislamiento, discosfonogrficos, cristalinastillable de seguridadPolisulfonas69150-260Rgido y dctil hasta100C; estable yresistencia elctricaMuy flexible hastargido, buenaresistencia a la flama,elctrica, qumica,aceite, abrasin y a laintemperie en variosgrados; coloreable yatractivo; fcil deprocesarExtrusin, moldeo,termoformado(resina con aditivos)Extrusin, moldeo,revestimiento,colado, espumado(resina con aditivos,dispersiones, hojas,pelculas)Vinilos7-4860-105Polmeros termofijos. Estas molculas se transforman qumicamente (se curan) en una estructurargida cuando se enfran despus de una condicin plstica por calentamiento, de aqu el nombre deUMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo I48termofijo. Debido a las diferencias en la composicin qumica y estructura molecular, las propiedades delos plsticos termofijos son diferentes de los termoplsticos. En general, los termofijos son 1) ms rgidos,con mdulos de elasticidad dos o tres veces ms grandes; 2) frgiles, prcticamente no poseenductilidad; 3) menos solubles en los solventes comunes; 4) capaces de funcionar a temperaturas msaltas; y 5) no pueden ser refundidos, en lugar de esto se degradan o se queman. Los polmeros termofijosms importantes se analizarn por orden alfabtico en la tabla 1.16Tabla 1.16 Plsticos Termofijos principales [3]ClaseAlquidosResistencia a la Tensin MPa 21-62 Temp.Mx. deservicio C 150PropiedadesimportantesBuen aislamientoelctrico, estabilidaddimensional,resistencia al impactoAlta resistencia a lahumedad y qumica,estabilidad, yresistencia dielctricaColorido dureza;resiste rayados,detergentes y muchoslquidosBuenas propiedadeselctricas ymecnicas, resistenteal calor y qumicos,fuertesRgido, estable, buenaresistencia elctrica yqumica, coloreslimitadosPara hacer esfuerzostenaces; resiste lamayora de lossolventes, cidos Proceso de fabricacin(materia prima)Moldeo (polvos,lquidos, hojassuaves, cuerdas,trozos, pedazos)Moldeo y extrusin,laminacin, (polvos,lquidos, preimpreg.)Moldeo y laminado,(polvos, granulados,lquidos, espumas)Colado extrusin,moldeo ypreservacin en tina(polvos, lquidos,espumas)Moldeo y colados,(polvos, perdigones,soluciones eimpregnados)Moldeo, colados,laminados (polvos,lquidos hojas, barrasy tubos)AplicacionesEquipo elctricoAllicos28-55180Equipo electrnico,lentes, laminados.Aminos34-6980-100Vajillas, tapas dedistribuidor cubiertas demostrador, utensiliosdomsticosAdhesivos, tanques yenvolventesherramientas y dadosEpoxis34-207260Fenlicos34-69150-260Equipo elctrico, partesde artefactos, paneleslaminados, aglutinantespara ruedas de esmerilarPartes para carrocerade automviles,decoraciones, lanchas,maletasPolisteres7-34565-150Elastmeros. Estos polmeros exhiben un comportamiento elstico importante, de aqu el nombrede elastmero. Los elastmeros son polmeros capaces de sufrir grandes deformaciones elsticascuando se les sujeta a esfuerzos relativamente bajos, Algunos elastmeros pueden soportardeformaciones de hasta el 500% o ms, pero retornan a su forma original. El ejemplo ms popular de unelastmero es desde luego el hule. Podemos dividir a los hules en dos categoras: 1) hule natural,derivado de ciertas plantas y 2) polmeros sintticos producidos por procesos de polimerizacin, similaresa los que se utilizan para los termoplsticos y los termofijos. Los elastmeros ms importantes seanalizarn por orden alfabtico en la tabla 1.17Tabla 1.17 Elastmeros principales [3]ClasePropiedadesCaractersticas importantesUMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo IHule natural, poliisoprenonatural, NRIsopreno, poliisoprenosinttico, IRGR-S o Buna S,estirenobutadieno, SBRButil isobutileno isopreno,IIRClorobutil-, cloroisobutilenoisopreno, IIRmodificadoPolibutadieno, cis-4, BRA: RB: 20C: 7.5-8.5A: RB: 17C: 3.0-8.0A: RB: 1.7C: 4.0-6.0A: RB: 18C: 7.5-9.0A: TB: 18C: 7.5-9.0A: RB: 4C: 4.0-10.0A: RB: 7 mx.C: pobreA: SB: 25C:8.0-9.0,A:SB:5C:4.5-7.0A: SB: 25 mx.C: mx. 6.0ASB:35 y msC:5.4-7.5Excelentes propiedades fsicas; buena resistencia al corte,mordidas y abrasin; baja resistencia al calor, ozono y aceiteLo mismo que el hule natural pero requiere menos masticacin;llantas de automvil, bandas de transmisin de potencia,mangueras, empaques, rodillosBuenas propiedades fsicas cuando se le refuerza; excelenteresistencia al agua y a la abrasin; no resiste aceite, ozono ointemperieExcelente resistencia a la intemperie y al calor; buenaimpermeabilidad al gas, buena resistencia qumica, resistenciamecnica aceptable; cmaras de llantas, mangueras de vapor49Propiedades similares al butilo con temperaturas de servicio a200C y buena resistencia al aceite cuando se mezcla; para tubosinternos (cmaras) y vejigas de curadoPropiedades generales similares a las del hule y del SBR peromejor resistencia a la abrasin y a la intemperie, servicio a bajatemperatura y resilencia; empleado por lo general en mezclasBuenas propiedades mecnicas cuando se le refuerza; excepcionalpara resistir la luz solar, ozono; buenas propiedades elctricas y detemperatura; para aislamiento, zapatos, encintados contraintemperieExcelente resistencia al ozono, calor, intemperie y flama ypropiedades mecnicas; buena resistencia qumica y al aceite; paramangueras de aceite, revestimiento de tanques y aislamientoExcelente resistencia qumica y al aceite; propiedades mecnicasaceptables y pobres a baja temperatura; partes para carburador ytanques de gasolina y bomba, empaques y rodillos para imprentaExcelente resistencia al ozono, intemperie y cidos, resistenciaaceptable al aceite y servicio a baja temperatura hasta 120 C paramangueras qumicas y de petrleo, conectores, etc., zapatos ypisosResistencia excepcional a la abrasin, corte y desgarramiento,buena resistencia al oxgeno, ozono y a la luz solar; especial paraamortiguacin de vibraciones y aislamiento acstico; bajaresistencia al calor y la humedadTemperatura 85 a 315 C; alta resistencia al oxgeno, ozono yradiacin; fraguado en alta compresin; baja resistencia mecnicaal desgaste y al aceite; aislamiento, sellos, empaquesTemperatura 40 a 315 C ; resistencia sobresaliente qumica y alaceite, especialmente a alta temperatura; buenas propiedadesmecnicas; para equipo industrial y de aviacin,Etileno propileno, EPM(termopolmero EPDMNeopreno, cloropreno, CRBuna N, nitrilo, acrilonitrilo-butadieno, NBRHypalon (HYP), polietilenoclorosulfonado, CSMUretano, polister U, AU,politer U, EUHules silicones, MQ, PMQ,etc.Viton, elastmeros defluorocarbono, FKMHules acrlicos, poliacrilatoACMA:TB:7C: 1 -0-5. 0A:TB: 15y ms1.7.4COMPUESTOS A:TExcelente resistencia al ozono y aceite; pobre resistencia al agua; B:2para sellos, empaques, mangueras y anillos-O C:4.5-7.5aCdigo para designacin de propiedades: A servicio: R designa sin resistencia a losaceites, S para resistencia especfica a los aceites, T para exposicin prolongada atemperaturas anormales y aceites compuestos; B resistencia relativa meda a la tensinde goma pura MPa; C alargamiento hasta ruptura de goma pura, 100%UMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica IICaptulo I50Los materiales compuestos no constituyen realmente una categora separada de los materiales;sino que constituyen una mezcla de los otros tres tipos de materiales. Un material compuesto se logracomnmente con dos fases en las que se procesan separadamente los materiales y luego se unen paralograr propiedades superiores a los de sus constituyentes. La estructura usual de un material compuestoest formada por partculas o fibras de una fase mezcladas con una segunda fase llamada matriz.Los materiales compuestos se encuentran en la naturaleza (madera, por ejemplo) y puedentambin producirse sintticamente. Estos ltimos son los que nos interesan; comprenden fibras de vidrioen matriz de polmero como los plsticos reforzados con fibras; fibras de polmero de una clase en matrizde un segundo tipo de polmero, como los compuestos epoxy-Kevlar; y materiales cermicos en matrizmetlica, como carburo de tungsteno en una cubierta de cobalto para formar un buril de carburocementado.Las propiedades de los materiales compuestos dependen de sus componentes, de la forma fsicade dichos componentes y de la manera en que se combinan para formar el material final. Algunosmateriales compuestos combinan alta resistencia con peso ligero y son apropiados para utilizarse comocomponentes de aviones, carroceras de automviles, cascos de botes, raquetas de tenis y caas depesca; otros son fuertes, duros y capaces de mantener estas propiedades a temperaturas elevadas,como por ejemplo los buriles de carburo cementado.UMSS Facultad de Ciencias y TecnologaIng. Mecnica Tecnologa Mecnica II