tecnologías de fabricación _kalpakjian

7/23/2019 Tecnologas de Fabricacin _Kalpakjian

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CAPTULO1:INTRODUCCINALAFABRICACIN.

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La manufactura es el proceso de convertir la materia prima en productos acabados. Incluye el Diseo delProducto, la seleccin de la materia prima y la secuencia de procesos a travs de los cuales ser manufacturado elproducto.

La manufactura involucra actividades en las que el producto manufacturado mismo se utiliza para fabricar otrosproductos.

La manufactura involucra la fabricacin de productos a partir de materias primas mediante varios procesos,

maquinarias y operaciones, a travs de un plan bien organizado para dada actividad requerida.La palabra produccin se utiliza de manera intercambiable con la palabra manufactura.Debido a que un elemento manufacturado ha sufrido un nmero de procesos en los cuales la materia prima se

ha convertido en un producto til, tiene un valor, definido como un valor monetario o un precio de mercado. Lamanufactura tiene una funcin importante de valor agregado.

La manufactura puede producir productos discretos, es decir, piezas individuales, o productos continuos.La manufactura es una actividad compleja que involucra una amplia variedad de recursos y actividades como: Diseo del producto. Maquinaria y herramienta. Planeacin de procesos. Materiales. Compras. Manufactura. Control de Produccin. Servicios de apoyo. Marketing. Ventas. Embarques. Servicio al cliente.Las actividades de manufactura deben responder a varias exigencias y tendencias:1. Un producto debe llenar completamente los requerimientos de diseo y las especificaciones y estndares del

producto.2. Un producto debe ser manufacturado utilizando ambiental y econmicamente los mtodos ms amigables.3. La calidad debe ser incorporada ene el producto en cada etapa, desde el diseo hasta el ensamble, en vez

de ser probada despus de que haya sido fabricado el producto. El nivel de calidad debe ser apropiado al

uso del producto.4. Los mtodos de produccin deben ser lo suficientemente flexibles como para responder a los cambios en lademanda, en los tipos de productos, en las tasas de produccin, en las cantidades de produccin, y en losrequerimientos de entrega a tiempo.

5. Deben evaluarse de manera constante los nuevos desarrollos en materiales, mtodos de produccin eintegracin por computadora, tanto de las actividades tecnolgicas como administrativas.

6. Deben ser enfocadas como un gran sistema, estando interrelacionadas todas partes.7. Una organizacin de manufactura debe tratar de alcanzar constantemente los ms altos niveles de calidad y

de productividad (uso ptimo de los recursos: materiales, mquinas, energa, capital, mano de obra ytecnologa).

El proceso de diseo para un producto requiere primero de la comprensin clara de las funciones y delrendimiento esperado del producto, el cual puede ser nuevo o una versin revisada de un producto ya existente.

El mercado de un producto y sus usos anticipados deben ser definidos con claridad. El diseo del producto es

una actividad crtica porque se ha estimado que de 70 a 80% del costo de desarrollo del producto y su manufacturaqueda determinado por las decisiones tomadas en las etapas iniciales del diseo.Tradicionalmente las actividades de diseo y de manufactura han ocurrido de manera secuencial, ms que de

una manera concurrente o simultnea.Este es un procedimiento que desperdicia los recursos de forma extrema.En teora un producto puede fluir en una organizacin de un departamento a otro y de ah directamente al

mercado, pero en la prctica, comnmente se presentan dificultades.Existe un gran deseo en llevar los productos al mercado tan rpidamente como sea posible. Por esta razn, ha

saltado a la arena la ingeniera concurrente o ingeniera simultnea.Todas las disciplinas est involucradas en las primeras etapas del diseo, por lo que las iteraciones que por

naturaleza ocurren resultan en menos esfuerzo desperdiciado y menos tiempo perdido. Clave para el nuevoprocedimiento es la importancia de la comunicacin entre y dentro de las disciplinas.

La ingeniera concurrente es un procedimiento sistemtico que integra el diseo y la manufactura de los

productos, manteniendo a la vista la optimizacin de todos los elementos involucrados en el ciclo de vida delproducto. Las metas bsicas de la ingeniera concurrente son reducir los cambios en diseo, ingeniera de producto y


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reducir el tiempo de los costos involucrados en tomar el producto de su concepto de diseo a su produccin eintroduccin en el mercado.

La filosofa de la ingeniera del ciclo de vida requiere que toda la vida del producto sea considerada en la etapade diseo: el diseo, produccin, uso y eliminacin/reciclado deben ser considerados de manera simultnea. Por loque un producto bien diseado es funcional, bien fabricado, bien empleado, durable, mantenible y es eficiente enrecursos.

Para que tenga xito la ingeniera concurrente deber: Contar con el apoyo de la administracin superior. Efectuar un trabajo en equipo multifuncional e interactivo, incluyendo grupos de apoyo. Utilizar todas las tecnologas disponibles.El diseo del producto a menudo involucra preparar modelos analticos y fsicos del mismo, como ayuda para

estudiar factores como fuerzas, esfuerzos, deflexiones y forma ptima de la pieza. La necesidad de estos modelosdepende de la complejidad del producto. La construccin del estudio en modelos analticos se ha simplificado atravs del uso del diseo (CAD) y de las tcnicas de ingeniera (CAE) y de manufactura (CAM) asistidos porordenador.

El diseo asistido por computadora permite al diseador conceptualizar objetos con mayor facilidad, sin tenerque elaborar ilustraciones, modelos o prototipos costosos.

Utilizando la ingeniera asistida por computadora se puede simular y probar con mayor precisin y ms rpidoque nunca el desempeo de estructuras sujetas a cargas estticas o fluctuantes y a temperaturas variables. La

informacin desarrollada se puede almacenar, recuperar, desplegar, imprimir y transferir a cualquier parte de laorganizacin. En cualquier momento los diseos se pueden optimizar, y las modificaciones se pueden efectuardirecta y fcilmente.

La manufactura asistida por computadora involucra todas las fases de la manufactura, al utilizar y procesar aunms la gran cantidad de informacin sobre materiales y procesos recolectados y almacenados en la base de datosde la organizacin.

En base a los modelos desarrollados utilizando las tcnicas antes mencionadas, el diseador del productoselecciona la forma y dimensiones finales del producto, su precisin dimensional, acabado superficial y los materialescomponentes.

El siguiente paso en el proceso de produccin es efectuar y probar un prototipo, esto es, un modelo original delproducto que funcione. Un desarrollo reciente es el prototipo rpido (RP) que se apoya en tcnicas CAD/CAM y endiversas tcnicas de manufactura para producir prototipos de manera rpida, en forma de una pieza fsica slido y aun bajo costo.

Las pruebas de prototipos deben ser diseadas para simular, tan reales como sea posible, las condiciones bajolas cuales se va a usar el producto. Estas condiciones incluyen los factores ambientales y los efectos de la vibraciny del uso (mal uso) repetido del producto.

Durante la prueba del prototipo quiz sea necesario efectuar modificaciones del diseo, materiales o mtodos deproduccin originales. Una vez terminada esta fase se seleccionan procesos apropiados, mtodos de manufactura yequipo, as como herramental.

Muchos productos han sido sobrediseados, esto es, son demasiados voluminosos, fabricados de materiales deuna calidad demasiado elevada, o fabricados con una precisin y calidad no necesaria para los usos pretendidos. Elsobrediseo puede resultar de incertidumbre en los clculos de diseo o de la preocupacin por parte del diseadoro fabricante en relacin con la seguridad del producto a fin de evitar lesiones o hasta la muerte del usuario y lasdemandas pro responsabilidad de producto resultantes. Muchos diseos estn basados en la experiencia y laintuicin pasada, ms que en un anlisis y una experimentacin a fondo.

El sobrediseo puede aumentar de una manera significativa el costo del producto.El diseo y la manufactura deben esta estrechamente interrelacionados, no deberan ser nunca vistos como

disciplinas o actividades por separado. Cada pieza o componente de un producto deben ser diseados no solo paraque cumplan los requerimientos y las especificaciones de diseo, si no tambin para que pueda ser manufacturadoeconmicamente y eficientemente. Este procedimiento mejora la productividad.

Esto es el rea de diseo para la manufactura (DFM). Es un procedimiento completo para la produccin debienes, e integra el proceso de diseo con los materiales, mtodos de manufactura, planeacin de procesoso,ensamble, prueba y aseguramie4nto de la calidad. Requiere una comprensin bsica de las caractersticas,capacidades y limitaciones de los materiales, de los procesos de manufactura y operaciones, maquinaria y equiporelacionados. Incluye caractersticas como: la variabilidad del desempeo de las mquinas, en precisin dimensionaly en el acabado superficial de la pieza de trabajo; el tiempo de proceso; y el efecto del mtodo de procesamientosobre la calidad de la pieza.

Se debe ser capaz de juzgar el impacto de las modificaciones de diseo sobre la seleccin del proceso demanufactura y sobre el ensamble, inspeccin, herramientas as como el costo de produccin. El establecimiento derelaciones cuantitativas es esencial a fin de optimizar el diseo para su facilidad de manufactura y ensamble a uncosto de producto mnimo (concepto conocido como productibilidad).


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Los nuevos desarrollos incluyen sistemas expertos, que tienen capacidades de optimizacin y por tanto puedenacelerar el proceso iterativo tradicional de la optimizacin del diseo.

El ensamble es una parte importante de la operacin general de manufactura y requiere consideracin sobre lafacilidad, velocidad y costo de unir las piezas. Muchos productos deben ser diseados de manera que sea posible sudesensamble, a fin de permitir que se desarme el producto para su mantenimiento, servicio o el reciclaje de suscomponentes.

El diseo para el ensamble (DFA), as como el diseo para el desensamble se reconocen como aspectosimportantes de la manufactura. Un producto fcil de ensamblar tambin ser fcil de desensamblar. La tendenciams reciente incluye el diseo para el servicio, cuya meta es que las partes individuales y subensambles sean fcilesde alcanzar y dar servicio.

La tendencia actual es combinar el diseo para la manufactura y el diseo para el ensamble en un diseo mscompleto para la manufactura y el ensamble (DFMA) que reconoce la relacin inherente entre la manufactura de loscomponentes y su ensamble en un producto final.

Existen varios mtodos de ensamble, cada uno con sus propias caractersticas y cada uno requiriendo deoperaciones diferentes.

Las piezas pueden ser ensambladas ya sea a mano o con equipo automtico y de robots. La eleccin dependede factores como la complejidad del producto, el nmero de piezas a ensamblarse, la proteccin requerida paraevitar dao o ralladura a las superficies terminadas de la pieza, el costo relativo de la mano de obra en comparacincon la maquinaria requerida para el ensamble automatizado.

Los tipos generales de materiales utilizados hoy en da en la manufactura, ya sea de manera individual o encombinacin son:

Metales ferrosos. Aceros al carbono y aleados, acero inoxidable, y aceros para herramientas y dados. Metales no ferrosos: aluminio, magnesio, cobre, nquel, superaleaciones, metales refractarios, berilio,

circonio, aleaciones de bajo punto de fusin y metales preciosos. Plsticos: termoplsticos, termoestables y elastmeros. Cermicas, cermicas vitrificadas, vidrios, grafitos, diamante y materiales parecidos al diamante. Materiales compositos: plsticos reforzados, matriz de metal y matriz de cermica. Estos tambin se conocen

como materiales de ingeniera. Nanomateriales, aleaciones con memoria de forma, aleaciones amorfas, superconductores y otros materiales

diversos con propiedades nicas.Al seleccionar los materiales para los productos, primero consideraremos sus propiedades mecnicas:

resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, elasticidad, fatiga y cedencia. Las propiedades mecnicas especificadaspara un producto y sus componentes debern ser apropiados a las condiciones bajo las cuales el producto funcione.

Las propiedades fsicas de los materiales tambin juegan un papel significativo, tanto en entornos hostiles comonormales. stas son: densidad, calor especfico, dilatacin y conductividad trmica, punto de fusin y propiedadeselctricas y magnticas. Tambin estn entre las ms importantes a considerar la oxidacin, corrosin, ladegradacin general de las propiedades, toxicidad e inflamabilidad.

Las propiedades de manufactura de los materiales determinan si pueden ser fundidos, formados, maquinados,soldados o sujetos a tratamiento trmico con relativa facilidad. Los mtodos utilizados para procesar los materialeshasta la forma deseada pueden afectar de manera adversa las propiedades finales, vida de servicio y costo delproducto.

El costo y la disponibilidad de los materiales en bruto y procesados y de los componentes manufacturados sonconsideraciones de importancia en la manufactura. Los aspectos econmicos de la seleccin de los materiales sontan importantes como las consideraciones tecnolgicas de las propiedades y de las caractersticas de los mismos.

Si no hay materias primas procesadas o componentes manufacturados en la forma, dimensiones y cantidadesdeseadas, asa har necesario recurrir a sustitutos y/o a procesamiento adicional y esto puede contribuir al costo delproducto. A menudo el diseo de un producto se puede modificar para aprovechar las dimensiones estndar de lasmaterias primas y, por tanto, evitar los costos de manufactura adicionales.

La confiabilidad del suministro, as como la demanda, afecta al costo.El procesamiento de materiales segn los diferentes mtodos involucran diferentes costos. Algunos mtodos

requieren maquinaria costosa, otros requieren de extensa mano de obra, y aun otros requieren de personal conhabilidades especiales, un alto nivel de educacin o una capacitacin especializada.

La apariencia de los materiales una vez manufacturados en productos, influencia su atractivo hacia elconsumidor. El color, la sensacin y la textura superficial son caractersticas que todos consideramos al tomar unadecisin sobre la adquisicin de un producto.

Son fenmenos importantes que dependen del tiempo y del servicio como el desgaste, la fatiga, el deslizamientoy la estabilidad dimensional. Estos fenmenos pueden afectar de manera significativa el desempeo de un producto

y, de nos ser controlados, pueden llevar a la falla total del mismo. Es importante la compatibilidad de los materialesque se utilizan en un producto. La friccin y el desgaste, la corrosin y otros fenmenos pueden reducir la vida delproducto o hacer que falle de manera prematura.


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El reciclado de los materiales o la eliminacin apropiada de sus componentes, al final de la vida de servicio tildel producto, se ha tornado cada vez ms importante, conforme nos hemos vuelto cada vez ms conscientes de lanecesidad de conservar los recursos y de mantener un entorno limpio y saludable. El tratamiento y eliminacinapropiada de los desperdicios y materiales txicos tambin es una consideracin vital.

Las amplias clases de mtodos de procesamiento de materiales son:a. Fundicin: Molde desechable y molde permanente.

b. Formado y conformado: Laminacin, forja, extrusin, estirado, formado de lmina, metalurgia de polvos ymoldeo.c. Maquinado: Torneado, taladrado, barrenado, fresado, cepillado, brochado y esmerilado, maquinado

ultrasnico, maquinado qumico, elctrico y electroqumico, y maquinado de haz de alta energa.d. Unin: Soldadura sin aporte, soldadura con aporte, soldadura blanda, unin por difusin, unin adhesiva y

unin mecnica.e. Acabado: Asentado, lapeado, pulido, bruido, desbarbado, tratamiento superficial, recubrimiento y depsito.La seleccin de un proceso de manufactura en particular, o de una secuencia de procesos, depende no solo de

la formad e producirse, si no tambin de otros factores correspondientes a las propiedades del material. El procesode manufactura por lo general altera las propiedades de los materiales.

Cada uno de los procesos de manufactura tiene sus propias ventajas y limitaciones, as como sus propias tasasde produccin y costos de manufactura.

El tamao, el espesor y la complejidad de forma de la pieza tienen una importancia principal sobre el proceso de

manufactura seleccionado para su produccin.Son importantes consideraciones el diseo y el costo del herramental, el tiempo de espera requerido para iniciar

la produccin, y el efecto del material de la pieza de trabajo sobre la vida de la herramienta y de los dados.Dependiendo del tamao, forma y vida esperado del producto, el costo del herramental puede ser sustancial.

Para piezas de materiales costosos, mientras menor sea la tasa de desperdicio, ms econmico ser el procesode produccin, por lo que debe hacerse todo intento posible hacia un desperdicio de base cero.

La disponibilidad de mquinas y de equipo y la experiencia de operacin de la instalacin de manufactura sonfactores de costo importantes.

El nmero de piezas requeridas y la tasa requerida de produccin son importantes en la determinacin de losprocesos a utilizarse y la economa de la produccin.

La operacin de la maquinaria tiene implicaciones significativas en el ambiente y la seguridad. Algunos procesosafectan de manera adversa al entorno. El uso seguro de la maquinaria es otra consideracin de importancia,requiriendo precauciones para eliminar riesgos en el lugar de trabajo.

Un componente o un producto se considera generalmente que ha fallado cuando: Deja de funcionar. No funciona adecuadamente o no se desempea dentro de los lmites de especificacin requeridos. Se convierte en no confiable o no seguro para uso futuro.Dado que no todas las operaciones de manufactura producen piezas terminadas, sern necesarias otras

operaciones adicionales.Las operaciones de acabado pueden contribuir de manera significativa al costo de producto. En consecuencia, la

tendencia ha sido de la manufactura de la forma neta o cercana a la forma terminada, en el cual la pieza se fabricaen la misma operacin, tan cerca de las dimensiones, tolerancias, acabado superficial y especificaciones finalesdeseadas como sea posible.

Las metas principales de la automatizacin en instalaciones de manufacturas son integrar diversas operacionesde manera de mejorar la productividad, incrementar la calidad y uniformidad del producto, minimizar tiempos de cicloy reducir los costes de mano de obra.

El uso de las computadoras se ha extendido a la manufactura integrada por computadora (CIM). La manufacturaintegrada por computadora es particularmente efectiva, debido a su capacidad de:

Su rapidez de respuesta a cambios rpidos en la demanda del mercado y modificacin de los productos. Un mejor uso de los materiales, maquinaria y personal, y reduccin en inventarios. El mejor control de la produccin y administracin de toda la operacin de manufactura. La manufactura de productos de alta calidad a bajo costo.Las aplicaciones principales de las computadoras en la manufactura son:a. Control numrico por computadora (CNC). Es un mtodo para controlar los movimientos de los componentes

de las mquinas, mediante la insercin directa de instrucciones codificadas en forma de datos numricos.b. Control adaptativo (AD). Los parmetros de un proceso de manufactura se ajustan de manera automtica

para optimizar la tasa de produccin y la calidad del producto y minimizar el costo.c. Robots industriales. Los robots industriales han venido sustituyendo a los seres humanos en operaciones

repetitivas, aburridas y peligrosas, reduciendo la posibilidad del error humano, disminuyendo la variabilidaden la calidad del producto y mejorando la productividad.


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d. Manejo automatizado de materiales. Las computadoras han hecho posible un manejo altamente eficiente delos materiales y de los productos en las varias etapas de terminacin (trabajo en proceso), como ser movidosdel almacenamiento y de las mquinas a otras mquinas y cuando estn en los puntos de inspeccin deinventarios y embarques.

e. Los sistemas de ensamble automatizados y robticos estn reemplazando el costoso ensamble medianteoperadores humanos.

f. Planeacin de procesos asistidos por computadora (CAPP). Esta herramienta es capaz de mejorar laproductividad en una planta al optimizar los planes de proceso, reducir los costos de planeacin, y mejorar laconsistencia de la calidad y confiabilidad del producto.

g. Tecnologa de grupo (GT). La idea de la tecnologa de grupo es que las piezas se pueden agrupar y producirclasificndolas en familias, de acuerdo con similitudes en diseo y similitudes en los procesos demanufactura empleados en produccin. De esta manera se pueden estandarizar los diseos de las piezas ylos planes de proceso, y las familias de partes similares se pueden producir de una manera eficiente yeconmica.

h. Produccin justo a tiempo (JIT). Los suministros se entregan a tiempo para ser utilizados, las piezas seproducen justo a tiempo para formarse en subensambles y ensambles, los productos se terminan justo atiempo para ser entregados al cliente. De esta manera los costos de mantener inventario son bajos, losdefectos de las piezas se detectan de inmediato, se incrementa la productividad, y se fabrican productos dealta calidad a bajo costo.

i. Manufactura celular. Involucra estaciones de trabajo, conocidas como celdas de manufactura, que contienenvarias mquinas controladas por un robot central, cada una de las mquinas ejecutando una operacindiferente sobre la pieza.

j. Sistemas de manufactura flexible (FMS). Integra las celdas de manufactura en una unidad grande, toda ellacon un interfaz con una computadora central. Aunque son muy costosos, son capaces de producir partes coneficiencia en pequeos lotes y de modificar secuencias de manufactura de diferentes piezas de manerarpida; esta flexibilidad les permite hacer frente a cambios rpidos en la demanda del mercdo par diversostipos de productos.

k. Sistemas expertos. Son, bsicamente, programas complejos de computadora. Estn desarrollando lacapacidad de llevar a cabo tareas y de resolver problemas difciles de la vida real, de una manera muysimilar a la forma que lo haran los seres humanos.

l. Ingeniera artificial (AI). Involucra el uso de mquinas y computadoras para reemplazar la inteligenciahumana. Las redes neuronales artificiales, que se disean para simular los procesos de pensamiento del

cerebro humano, tienen la capacidad de modelar y simular instalaciones de produccin, y monitorear ycontrolar procesos de manufactura, de diagnosticar problemas en el desempeo de las mquinas y de llevara cabo planeacin financiera, de administrar la estrategia de manufactura de la empresa.

m. Manufactura compartida. Consiste en una red regional de instalaciones de manufactura, con equipo de puntapara la capacitacin, desarrollo de prototipos y lotes de produccin en pequea escala, y estara disponiblepara ayudar a pequeas empresas a desarrollar productos que compitan en un mercado global.

La fbrica del futuro se trata de un sistema en la cual la produccin ocurrir con muy poca o ninguna intervencinhumana directa. El papel humano quedar limitado a la supervisin, mantenimiento y actualizacin de las mquinas,computadoras y software.

En sentido amplio, la calidad es una caracterstica o propiedad formada por varias consideraciones tcnicas ( ypor tanto, objetivas) y estticas ( por tanto, subjetivas) bien definidas. La percepcin del pblico en general es que unproducto de alta calidad funciona de una manera confiable y tal y como se espera a lo largo de un perodo de tiempo.

La calidad de un producto influencia de manera directa la capacidad de mercadeo del producto antes de su venta

y la satisfaccin del cliente despus. El aseguramiento de la calidad se ha obtenido al inspeccionar las piezasdespus de su manufactura. stas son inspeccionadas para asegurarse que se apegan a las especificacionesdetalladas y normas, tales como dimensiones, acabado superficial y propiedades mecnicas y fsicas.

La prctica de inspeccionar productos una vez fabricadas ha sido reemplazada por una visin ms amplia de quela calidad debe estar incorporada en un producto desde la etapa de diseo, a travs de todas las etapassubsecuentes de manufactura y ensamble. El control de procesos es un factor crtico en la calidad de los productos,por lo que, el objetivo ser de controlar procesos, no productos.

La produccin de productos defectuosos puede resultar muy costosa para el fabricante, creando dificultades enlas operaciones de ensamble, necesitando reparaciones en el campo, y dando como resultado la no satisfaccin delcliente. Los productos de baja calidad no necesariamente cuestan menos en su manufactura que los productos dealta calidad.

La integridad de un producto es un trmino que se puede utilizar para definir el grado en el cual un producto esadecuado para su propsito pretendido, llena una necesidad real de mercado, funciona de una manera confiable

dentro de su vida esperada y puede ser mantenido con una facilidad relativa. La integridad de un producto tambin


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ha sido definida como la experiencia total del producto en relacin con el cliente, o como la totalidad de lascualidades necesarias para concebir producir, y poner en el mercado con xito al producto.

La administracin total de la calidad (TQM) y el aseguramiento de la calidad son ahora la responsabilidad detodos los que estn involucrados en el diseo y manufactura de un producto. La concienciacin de la importanciatecnolgica y econmica de la calidad incorporada en el producto lleva al uso de tcnicas poderosas como el controlestadstico de procesos (SPC) y los diagramas de control para vigilar en lnea de la produccin de piezas para

identificar con rapidez fuentes y problemas de calidad.La meta principal es impedir que ocurran defectos, en vez de detectarlos y rechazar productos defectuosos unavez que estn fabricados.

El diseo experimental es una tcnica en la cual los factores involucrados en un proceso de manufactura, ascomo sus interacciones, se estudian de manera simultnea.

La economa de la manufactura siempre ha resultado un factor principal, y todava ms conforme la competenciainternacional (competitividad global) para productos de alta calidad (manufactura de clase mundial) y los preciosbajos se han convertido en un hecho simple en los mercados mundiales.

Se han desarrollado las tendencias siguientes, que han tenido importante impacto sobre la manufactura: La competencia global se ha incrementado rpidamente, y lo mercados se han convertido en multinacionales

y dinmicos. Las condiciones de mercado fluctuaron de manera amplia. Los clientes demandan alta calidad, productos de bajo costo y entregas a tiempo. Los ciclos de vida de los productos se hace ms corta.El costo de un producto es a menudo la consideracin nica de importancia para su capacidad de mercadeo y,

en general, para la satisfaccin del cliente en relacin con el mismo.Los conceptos del diseo para la manufactura y ensamble y de la ingeniera concurrente incluyen principios de

diseo para la produccin econmica: El diseo debe hacer que el producto sea tan simple como posible en su manufactura, ensamble,

desensamble y reciclaje. Los materiales deben ser seleccionados en funcin a sus caractersticas apropiadas de manufacturas. La precisin dimensional y el acabado superficial deben ser especificados tan ampliamente como sea

permisible, a fin de minimizar los costos de manufactura. Las operaciones secundarias y de acabado de las piezas deben ser evitadas o minimizadas, porque

aumentan de manera significativa los costos.

El costo total de manufactura de un producto consiste del costo de los materiales, herramental y mano de obra,los costos fijos y los costos de capital. Los costos de manufactura se pueden minimizar analizando el diseo delproducto para determinar si el tamao y la forma de la pieza son ptimos y si los materiales seleccionados son losmenos costosos con las propiedades y caractersticas deseadas. La posibilidad de sustituir o reemplazar un materialpor otro es una consideracin importante en la minimizacin de los costos.

Los costos de herramental dependen de la complejidad de la forma de la pieza, de los materiales involucrados,del proceso de manufactura y del nmero de piezas que se deben fabricar.

Los costos de mano de obra directa por lo general son solo una pequea porcin del costo total. La tendenciahacia una mayor automatizacin y un control por computadora de todos los aspectos de la manufactura, ayuda aminimizar la mano de obra y, por consiguiente, a reducir los costos directos por mano de obra, que continanreducindose de manera continua como un porcentaje del costo total.

Los costos fijos y los costos de capital dependen del fabricante y de las instalaciones de planta especficos.La produccin sobria o la manufactura sobria, bsicamente involucra un enjuiciamiento de cada una de las

actividades de una empresa: la eficiencia y la efectividad de sus diversas operaciones, la posible no necesidad dealgunas operaciones y administradores, la eficiencia de la maquinaria y equipo de la produccin, y el nmero depersonas involucradas en cada operacin en particular. Contina con un anlisis de los costos de cada actividad,incluyendo aquellos debidos a la mano de obra productiva y no productiva.

Este concepto requiere de un cambio fundamental en la cultura corporativa, as como un discernimiento de laimportancia de la cooperacin y del trabajo en equipo entre la administracin y la fuerza de trabajo. Sus resultadosno son necesariamente el recorte de recursos, ms bien estn dirigidos a mejorara de manera continua la eficiencia yla redituabilidad de la empresa, al eliminar todo tipo de desperdicio de las operaciones y al encarar los problemas deinmediato, incluidos los problemas de tipo ambiental.

La manufactura gil es un trmino acuado para indicar el uso de los principios de la produccin sobria en escalaamplia. El principio es asegurar la agilidad, por lo tanto la flexibilidad, en la empresa de manufactura, de manera quepueda responder rpidamente a los cambios en la demanda del producto y en las necesidades de los clientes.

Esta flexibilidad debe lograrse a travs de las personas del equipo y del hardware y software de computadoras,

as como sistemas complejos de comunicacin.Estos procedimientos requieren que un fabricante tenga una marca de referencia de sus operaciones; estemtodo supone comprender la posicin competitiva de otros fabricantes respecto a la suya propia y, entonces,


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establecer mtodos realistas para el futuro. Las marcas de referencia se convierten en un punto de partid a partir delcual se pueden efectuar diversas mediciones y con las cuales se pueden efectuar comparaciones.

Las reglamentaciones referentes al medio ambiente, por lo general, son severas y su implementacin tiene unimpacto de importancia en la operacin econmica y en la salud financiera de las organizaciones industriales.

Se puede ganar mucho mediante un anlisis cuidadoso de los productos, su diseo, los materiales que seutilizan y los procesos y prcticas de manufactura que se emplean en su fabricacin. En este anlisis se pueden

seguir ciertas guas de accin: Reducir el desperdicio de materiales en su fuente, mediante refinamientos en el diseo del producto y

reduciendo la cantidad de materiales utilizados. Llevando a cabo investigacin y desarrollo en productos ambientalmente seguros y en tecnologas de

manufactura. Reducir el uso de materiales riesgosos en productos y procesos. Asegurar un manejo y disposicin apropiada de todo el desperdicio. Efectuar mejoras en el reciclaje, en el tratamiento del desperdicio y en la reutilizacin de los materiales.El trmino diseo y manufactura con conciencia industrial se ha hecho de uso comn en la industria. El diseo

para el entorno (DFE) o diseo verde anticipa el impacto ambiental negativo posible de materiales, productos yprocesos, para que puedan ser tomadas en consideracin en las primersimas etapas del diseo de la produccin.Los objetivos principales ahora son evitar la contaminacin en la fuete y promover el reciclaje y reutilizacin en vezde la eliminacin. Estas metas han llevado al concepto del diseo para el reciclaje (DFR).

La responsabilidad de los productos est relacionado con las consecuencias del mal funcionamiento de unproducto y de la posibilidad de que cause lesiones corporales (incluso la muerte) y prdidas financieras a unapersona u organizacin.

El diseo y la manufactura de productos seguros es una parte importante e integral de las responsabilidades deun fabricante. Todos aquellos involucrados en el diseo, manufactura y mercadeo de un producto deben reconocertotalmente las consecuencias de falla de un producto, incluso fallas que ocurren durante un posible mal uso delmismo.

Consideraciones de ingeniera y ergonoma de los factores humanos son aspectos de importancia en el diseo yla manufactura de productos seguros.

Las diferentes actividades y funciones de manufactura que se han descrito deben estar organizadas yadministradas eficiente y efectivamente, a fin de maximizar la productividad y minimizar los costos y al mismo tiempo,mantener elevados estndares de calidad. Es esencial una coordinacin y administracin apropiada de las diversasfunciones y responsabilidades.

Los ingenieros de manufactura han asumido varias responsabilidades principales: Planean la manufactura de un producto y los procesos a utilizarse. Esta funcin requiere conocimiento del

producto y de su desempeo esperado. Identifica las mquinas, equipo, herramental, personal que va a llevar a cabo el plan. Esta funcin requiere

evaluacin de las capacidades de las mquinas, herramientas y de los trabajadores, de manera ue sepuedan asignar las funciones y responsabilidades apropiadas.

Interactan con los ingenieros de diseo y de materiales para optimizar la productividad y minimizar loscostos de produccin.

Cooperan con los ingenieros industriales al planear actividades en el piso de la planta, en asuntos como ladisposicin fsica de la planta, el arreglo de mquinas, la seleccin de manejo de materiales, los estudios detiempos y movimientos, los anlisis de mtodos de produccin, la planeacin y la programacin de laproduccin y el mantenimiento.

Los ingenieros de manufactura, en cooperacin con los ingenieros industriales, tambin son responsables deevaluar nuevas tecnologas y la forma de ser aplicadas e implementadas. Es importante adquirir una ampliaperspectiva sobre capacidades, aplicaciones e integraciones de las computadoras en todas las fases de lasinstalaciones de manufactura. Este conocimiento es particularmente vital para la planeacin a largo plazo de lasinstalaciones de produccin, en vista de los cambios constantes en las demandas del mercado y la mezcla de losproductos.

Tradicionalmente el nfasis era la comunicacin de arriba hacia abajo en la organizacin y en un fuerte controlde la administracin, con prioridades para un rendimiento financiero rpido (utilidades en primer trmino) ycrecimiento y tamao (economa de escala). Ahora la tendencia es hacia una comunicacin de base amplia a trabvsde la organizacin.

Con la competencia global y habindose convertido la manufactura de clase mundial para mercados mltiples enuna necesidad, las estrategias corporativas han estado sufriendo cambios de importancia. La manufactura se haconvertido en parte integral de la planeacin de los negocios a largo plazo para las empresas que desean mantener

sus posiciones competitivas y mantener su participacin en el mercado.Es esencial en una empresa de manufactura el que: Se considere a las personas en la organizacin como un activo de importancia.


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Se haga nfasis en la importancia y necesidad del trabajo en equipo y el involucrarse en la resolucin deproblemas y en los procesos de toma de decisiones en todos los aspectos de las operaciones.

Alentar la innovacin de los productos y las mejoris en la productividad. Relacionar la innovacin y la manufactura de los productos con el cliente y con el mercado, el producto debe

ser considerado como llenando una necesidad. Incrementar la flexibilidad de la operacin para una respuesta ms rpida a las demandas de producto tanto

en el mercado domstico como en el mercado global (economa de tiempo). Alentar los esfuerzos para una mejora continua en la calidad (calidad primero). Enfocarse en la satisfaccin del cliente.


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CAPTULO2:COMPORTAMIENTOMECNICODELOSMATERIALES.

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TENSIN.La prueba de tensin es la prueba ms comn para determinar las propiedades mecnicas de los materiales,

como resistencia, ductibilidad, tenacidad, mdulo elstico y endurecimiento por deformacin. El ensayo requiere lapreparacin de un espcimen de prueba. La mayor parte de los especmenes de prueba a la tensin son slidos yredondos, pero algunos son de hoja plana o tubular.

El espcimen tiene una longitud calibrada original l0y un rea transversal A0 con un dimetro de 12,5 mm. Elespcimen se monta entre mordazas de una mquina de ensayo a la tensin.

Cuando se aplica la carga, al principio el espcimen se alarga en proporcin con la carga. Esto se conoce comocomportamiento elstico lineal. Si se retira la carga, el espcimen regresa a su longitud y forma original.

El esfuerzo ingenieril o esfuerzo nominal se define como la relacin de la carga aplicada P con el reatransversal A0del espcimen: ,

La deformacin ingenieril se define como:

, donde l es la longitud instantnea del espcimen.

Conforme se incrementa la carga, el espcimen empieza, a un cierto nivel de esfuerzo, a sufrir una deformacin

permanente o plstica. Ms all de ese nivel, el esfuerzo y la deformacin ya no son proporcionales. Es esfuerzo alcual ocurre este fenmeno se conoce como el esfuerzo de cedencia, Y, del material. El trmino lmite proporcionaltambin es utilizado para especificar el punto donde el esfuerzo y la deformacin dejan de ser proporcionales.

Definimos Y como el punto de la curva esfuerzo-deformacin que est compensada por una deformacin de0.002, es decir, por una elongacin del 0.2%

Conforme, bajo una carga creciente, sigue el espcimen alargndose ms all de Y, surea transversal se reduce de manera permanente y uniforme en toda la longitud decalibracin. Si el espcimen es descargado de un nivel de esfuerzo ms elevado que el nivelde cedencia, la curva sigue una lnea recta hacia abajo y paralela a la pendiente original.Conforme se incrementa an ms la carga, el esfuerzo ingenieril finalmente llega a unmximo y entonces empieza a disminuir. El esfuerzo ingenieril mximo se conoce comoresistencia a la tensin (o resistencia tensil mxima UTS) del material.

Si el espcimen se carga ms all de la resistencia tensil mxima empieza a formarse

un cuello. El rea transversal del espcimen ya no es uniforme a lo largo de su longitudcalibrada y es ms pequeo en la regin del cuello. Conforme avanza la prueba, losesfuerzos ingenieriles disminuyen aun ms y el espcimen finalmente se fractura en laregin del cuello. El esfuerzo ingenieril a la fractura se conoce como esfuerzo de rotura o defractura.

La relacin del esfuerzo a la deformacin en la regin elstica se conoce como mdulo de elasticidad E, omdulo de Young. ,

Esta relacin lineal se conoce como ley de Hooke. El mdulo de elasticidad es esencialmente una medida de lapendiente de la porcin elstica de la curva y, por lo tanto, de la rigidez del material. E tiene las mismas unidades queel esfuerzo. Mientras ms elevado sea el valor de E, ms alta ser la carga requerida para estirar el espcimen lamisma cantidad y, por tanto ms rgido ser el material.

La elongacin del espcimen bajo tensin es acompaado de una contraccin lateral. El valor absoluto de larelacin en este espcimen de la deformacin en relacin con la deformacin longitudinal se conoce como relacinde Poisson.

DUCTIBILIDAD.La ductilidad es la cantidad de deformacin plstica que sufre el material antes de su fractura. Existen dos

medidas comunes de ductilidad. La primera es la elongacin total del espcimen:

100% La elongacin se basa en la longitud calibrada original del espcimen y se calcula como porcentaje.

La segunda medida es la reduccin de rea:

100% donde A

0y A

fson las reas transversales original y final (fractura) respectivamente, del espcimen de ensayo. La

reduccin de rea y la elongacin estn interrelacionadas.


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La ductilidad de un material es cero porque ni se reduce en su seccin transversal ni se estirade ninguna manera; en comparacin un espcimen es dctil cuando se estira y se forma un cuelloconsiderable antes que falle.

ESFUERZO REAL Y DEFORMACIN REAL.El rea transversal del espcimen se hace ms pequea conforme se alarga. Por esto el esfuerzo ingenieril no

representa el esfuerzo real al cual est sujeto el espcimen.El esfuerzo real se define como la relacin de la carga P al rea transversal real (instantnea):

, Para la deformacin real, primero consideramos la elongacin del espcimen en incrementos de cambios

instantneos en la longitud. Despus, se puede demostrar que la deformacin real (la deformacin natural ologartmica) se calcula de la forma:

, ln Para valores de deformacin pequeos, las deformaciones de ingeniera y real son aproximadamente. Divergen

rpidamente conforme aumenta la carga.Las deformaciones reales corresponden a los fenmenos fsicos reales en la deformacin de los materiales

ELABORACIN DE CURVAS ESFUERZO-DEFORMACIN

El procedimiento para la elaboracin de una curvaesfuerzo-deformacin ingenieril, es tomar la curva decarga-elongacin y entonces dividir la carga entre elrea original A0 y la elongacin (eje horizontal) entrela longitud calibrada original l0. Dado que estascantidades por contantes, la curva esfuerzo-elongacin ingenieril obtenida tiene la misma formaque la curva carga-elongacin.

Las curvas esfuerzo-elongacin reales seobtienen de manera similar, dividiendo la carga entreel rea transversal instantnea y la deformacin realobtenida de la ecuacin correspondiente. Se puedeobservar la correccin hecha a la curva, esto refleja el

hecho que la regin del cuello del espcimen estsujeto a esfuerzos tensiles tridimensionales. Esteestado da valores de esfuerzo ms elevados que elesfuerzo real actual, la curva debe ser corregida haciaabajo.

Se puede representa la curva esfuerzo-deformacin reales mediante la ecuacin: donde K se conoce como el coeficiente de resistenciay n como el exponente de endurecimiento pordeformacin (o endurecimiento por trabajo).

Si trazamos la curva corregida en un grfica log-log, la pendiente de la curva obtenida es igual al exponente n, por loque cuanto ms elevada sea la pendiente mayor ser la capacidad de endurecimiento por deformacin del material,esto es, ms fuerte y ms duro se convertir conforme sea deformado.

El rea bajo la curva de esfuerzo-deformacin real se conoce como tenacidad del material, esto es, la cantidadde energa por unidad volumtrica que disipa el material antes de la fractura. La tenacidad involucra tanto el anchocomo la altura de la curva de esfuerzo-deformacin del material, en tanto que la resistencia est relacionadanicamente con la altura de la curva, y la ductilidad est relacionada nicamente con el ancho de la curva.

DEFORMACIN EN EL CUELLO EN UN ENSAYO A LA TENSINEl inicio de la formacin del cuello en un ensayo a la tensin corresponde a la resistencia a la tensin mxima del

material. La pendiente de la curva carga-elongacin en este punto es cero, y en este punto el espcimen empieza agenerar cuello. El espcimen no puede soportar la carga porque el rea transversal del cuello se est haciendo mspequea a una tasa que es ms alta que la tasa a la cual el material se hace ms resistente (endurecimiento pordeformacin).

La deformacin al inicio de la formacin del cuello es numricamente igual al exponente de endurecimiento pordeformacin n del material. Mientras ms elevado sea el valor de n, mayor ser la deformacin que puedeexperimentar una pieza uniformemente en toda su extensin, antes de que empiece a formar el cuello.


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EFECTO DE LA TEMPERATURAEl incremento de la temperatura tiene los siguientes efectos en las curvas de esfuerzo-deformacin:a. Eleva la ductilidad y la tenacidad.b. Reduce el esfuerzo de cadencia y el mdulo de elasticidad.Tambin afecta al exponente de endurecimiento por deformacin de la mayor pare de los metales, en el hecho

de que n se reduce al aumentar la temperatura.

EFECTO DE LA RAPIDEZ DE DEFORMACINPodemos conformar una pieza de material en un proceso de manufactura a velocidades diferentes.La rapidez de deformacin se define como la velocidad a la cual el ensayo de la tensin se efecta, en unidades

de m/seg o pies/seg. Es funcin de la longitud del espcimen. Un espcimen corto se alarga proporcionalmente msdurante el mismo perodo de tiempo que un espcimen largo.

Al incrementar la velocidad de deformacin aumenta la resistencia del material(endurecimiento por velocidad de deformacin). La pendiente de las curvas de lafigura se conoce como exponente de sensibilidad a la velocidad de deformacin, m.La relacin est dada por: donde C es un coeficiente de resistencia, similar, pero no igual, al coeficiente deresistencia K visto con anterioridad. La constante C tiene unidades de esfuerzo, esla velocidad de deformacin real, definida como la deformacin real que sufre el

material por unidad de tiempo.La sensibilidad de la resistencia a la velocidad de deformacin se incrementa

con la temperatura, en otras palabras, m aumenta a temperaturas crecientes. Sinembargo, la pendiente es relativamente plana a la temperatura ambiente, esto es,ah m es muy bajo. Esto es cierto para la mayor parte de los metales, pero no paraaquellos que se recristalizan a temperatura ambiente, como el plomo o el estao.

Con un m en incremento, el material se estira ms antes de que falle, por lo queel incremento de m retrasa la formacin del cuello.

El trmino superelasticidad se refiere a la capacidad de algunos materiales de sufrir una elongacin uniforme deconsideracin, antes de formar cuellos y fracturarse a la tensin. La elongacin puede ser de hasta el 2000%.

EFECTO DE LA PRESIN HIDROSTTICA.El incremento de la presin hidrosttica aumenta la deformacin a la fractura de una manera sustancial, tanto

para materiales dctiles como para frgiles.

EFECTO DE LA RADIACIN.Los cambios tpicos de los aceros y otros metales expuestos a radiaciones de alta energa son el incremento del

esfuerzo para cedencia, resistencia a la tensin y dureza, as como una reduccin en ductilidad y tenacidad.

COMPRESINLa prueba de compresin o ensayo de compresin se lleva a cabo comprimiendo un espcimen cilndrico entre

dos dados planos (pletinas). Debido a la friccin entre el espcimen y las platinas, la superficie cilndrica delespcimen se abomba, este efecto se conoce como abarrilado. La friccin impide que las superficies superior einferior se expandan con libertad.

El rea transversal del espcimen cambia ahora a lo largo de su altura, con una mxima en la parte media. Lafriccin disipa energa, por lo que la fuerza de compresin es ms elevada que lo que por otra parte tendra que ser,a fin de suministrar el trabajo requerido para vencer la friccin.

Cuando se comparan los resultados del ensayo a la compresin y a la tensin en metales dctiles, las curvas

reales esfuerzo-deformacin de ambos coinciden. Esta comparacin no se presenta en materiales frgiles, que sonpor lo general ms resistentes y ms dctiles a la compresin que a la tensin.Cuando un metal con un cierto esfuerzo de cadencia tensil es sujeto a tensin en el rango plstico, y entonces la

carga se libera y se aplica a compresin, el esfuerzo de cedencia a compresin es inferior al correspondiente atensin. Este fenmeno es conocido como el efecto Bauschinger. Dado el menor esfuerzo de cedencia en direccinopuesta a la aplicacin original de la carga, este fenmeno se conoce tambin como reblandecimiento pordeformacin o reblandecimiento por trabajo.

Para materiales frgiles como los cermicos o los vidrios, se ha desarrollado el ensayo de disco, en el cual sesujeta a la compresin entre dos platinas planas endurecidas. Cuando el material se carga, se desarrollan esfuerzosa la tensin perpendiculares a la lnea vertical a lo largo del disco, se inicia la fractura, y el disco se parte por la mitadverticalmente. El esfuerzo a la tensin en el disco es uniforme a lo largo de la lnea central y se puede calcular:

, 2

donde P es la carga a la fractura, d es el dimetro del disco y t es su espesor. A fin de evitar una falla prematura enlos puntos de contacto, entre el disco y la platina se colocan tiras delgadas de metal blando. Estas tiras tambinprotegen las platinas contra dao durante el ensayo.


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TORSINUna pieza de trabajo puede quedar sujeta a deformaciones cortantes como el punzonado de orificios en metales

laminados y en el corte de metales. El mtodo de ensayo utilizado para la determinacin de las propiedades de losmateriales por cortante es el ensayo de torsin. A fin de obtener una distribucin de esfuerzo y deformacinaproximadamente uniforme a lo largo de la seccin transversal este ensayo se lleva a cabo en un espcimen tubulardelgado.

El esfuerzo cortante se puede calcular: , , donde T es el partorsor, r es el radio promedio del tubo y t es el espesor del tubo.La deformacin cortante se puede calcular: , , donde l es la

longitud del tubo sujeto a torsin y el ngulo de torsin en radianes.La relacin del esfuerzo cortante en el rango elstico se conoce como mdulo de corte o mdulo de rigidez GEl ngulo de torsin a la fractura en torsin en barras slidas redondas a temperaturas elevadas resulta muy

til para la estimacin de la capacidad de forja. Mientras mayor sea el nmero de vueltas antes de la falla, mayorser la capacidad de forja.

DOBLADO (FLEXIN)Un mtodo de ensayo comnmente utilizado para los materiales frgiles es el ensayode flexin. Involucra un espcimen que tiene una seccin transversal rectangular y est

soportado en sus extremos. La carga es aplicada verticalmente, ya sea en un punto o endos. Estos ensayos se conocen como flexin en tres puntos o en cuatro puntosrespectivamente. Los esfuerzos longitudinales en estos especmenes son a tensin en lassuperficies inferiores y a compresin en sus superficies superiores.

Estos esfuerzos se pueden calcular mediante ecuaciones de viga simple. Los esfuerzos a la fractura en flexinse conocen como mdulo de ruptura o resistencia a la ruptura transversal. Debido al mayor volumen de materialsometido al mismo momento de flexin, existe una probabilidad ms elevada que existan defectos en el volumencorrespondiente. En consecuencia, el ensayo de cuatro puntos da un mdulo de ruptura inferior que el ensayo detres puntos.

DUREZALa dureza es una propiedad que da una indicacin general de la resistencia del material y de su resistencia al

rayado y al desgaste. La dureza se especifica como la resistencia a la indentacin o impresin permanente. No esuna propiedad fundamental dado que la resistencia a la indentacin depende de la forma del indentador y de la cargade dureza.

Los ensayos de dureza ms comunes son:Ensayo Brinell: Involucra la compresin de una bola de acero de carburo de tungsteno, de un dimetro de 10mm,

contra una superficie, con una carga de 500, 1500 3000 Kilos. El nmero de dureza Brinell, HB, se define como la.relacin entres la carga P y el rea de superficie curvada de la indentacin. Mientras ms duro sea el material aensayar, menor ser la impresin.

El indentador, que tiene un mduloelstico finito, tambin sufre unadeformacin elstica bajo la cargaaplicada. Para minimizar este efecto seusan bolas de carburo de tungsteno que,debido a su elevado mdulo deelasticidad, se distorsionan menos que lasbolas de acero. Estas bolas serecomiendan para nmeros de durezaBrinell superiores a 500.

Ensayo Rockwell: Mide la profundidadde penetracin en lugar del radio de laindentacin. El indentador se oprimecontra la superficie, primero con unacarga menor y luego con una cargamayor. La diferencia entre lasprofundidades de penetracin es una

medida de la dureza del material.Tambin se han desarrollado ensayosde dureza Rockwell superficial utilizando


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el mismo tipo de identadores, pero con cargas ms ligeras.Ensayo Vickers: Antes llamado ensayo de dureza de la pirmide de diamante, utiliza un indentador de diamante

en forma de pirmide y una carga que va desde 1 hasta 20 Kilos. El nmero de dureza Vickers se indica como HV.Es adecuado para materiales con una amplia gama de dureza, incluyendo los aceros tratados trmicamente.

Ensayo Knoop: Utiliza un indentador de diamante en forma de pirmide alargada, con cargas aplicadas que vande 25 gramos a 5 Kilos. El nmero de dureza Knoop se indica por HK. Debido a las bajas cargas que se aplican, se

trata de un ensayo de microdureza. Adecuado para especmenes muy pequeos o muy delgados o para materialesfrgiles como carburos, cermicas o vidrios.El ensayo es utilizado tambin para medir dureza de los granos y componentes individuales en una aleacin de

metal. La preparacin de la superficie es muy importante. Debido a que el nmero de dureza Knoop depende de lacarga aplicada, los resultados del ensayo siempre deben citar cual fue la carga aplicada.

Escleroscopio: Es un instrumento en el cual un indentador de punta de diamante (martillo) encerrado en un tubode vidrio, es dejado caer desde cierta altura sobre el espcimen. La dureza est relacionada con el rebote delindentador: mientras ms alto sea el rebote, ms duro ser el material. Es muy utilizado para superficies recubiertascomo rodillos para laminado de metales y arietes hidrulicos. Resulta til para medir la dureza de objetos grandes.

Dureza Mohrs: Se basa en la capacidad de un material de rayar a otros. Se basa en una escala de 1 a 10, siendoel 1 la medida del talco y 10 la del diamante (la sustancia ms dura conocida). Un material con nmero de durezaMohrs ms elevado siempre rayar a otro con un nmero de dureza ms bajo. Es una escala cualitativa, pero serelaciona bien con la dureza Knoop.

Durmetro: La dureza de materiales no metlicos, blandos y elsticos, se mide con un instrumento conocidocomo durmetro. En el durmetro un indentador es oprimido contra la superficie y luego se aplica una cargaconstante. La profundidad de la penetracin se mide despus de un segundo, la dureza est inversamenterelacionada con la penetracin.

Existen dos escalas diferentes para este ensayo. El tipo A tiene un indentador obtuso y una carga de 1 Kg, seutiliza para materiales ms blandos. El tipo B tiene un indentador ms obtuso y una carga de 5 Kg, se utiliza paramateriales ms duros. Los nmeros de estos ensayos van del 0 al 100.

Dureza en caliente: Los ensayos de dureza se pueden llevar a cabo a temperaturas elevadas utilizando losprobadores convencionales, con algunas modificaciones, como es encerrar el espcimen y el indentador en unpequeo horno elctrico.

Dado que la dureza es la resistencia contra una indentacin permanente, podemos asimilarlo con llevar a caboun ensayo a compresin en un pequeo volumen de un bloque de material. Los estudios han demostrado que ladureza de un material trabajando en fro es aproximadamente tres veces su esfuerzo a la cedencia, Y; para

materiales recocidos es cinco veces.Se ha establecido una relacin entre la resistencia tensil mxima (UTS) y la dureza Brinell (HB) para los aceros: 3,5

donde la resistencia tensil mxima est expresada en Mpa, y 500 si la resistencia tensil mximaaparece en KG/mm2

Para que un ensayo de dureza sea significativo y confiable, debe permitirse que la zona de deformacin bajo elindentador se desarrolle con libertad. La localizacin del indentador respecto del espcimen a probar y el espesor delespcimen son consideraciones de importancia. La localizacin debe quedar a, por lo menos dos dimetros delindentador del borde del espcimen, y el espesor del espcimen debe ser por lo menos 10 veces la profundidad depenetracin del indentador. Indentaciones sucesivas sobre la misma pieza de trabajo deben estar separadas losuficiente para que no interfieran entre s.

La indentacin debe ser lo suficientemente grande como para dar un valor de dureza representativo en elvolumen del material.


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Los valores obtenidos de diferentes ensayos de dureza se pueden interrelacionar y se pueden convertir medianteel baco siguiente.

FATIGADiversas estructuras y componentes en las operaciones de manufactura estn sujetas a cargas en rpida

fluctuacin (cclicas o peridicas), adems de cargas estticas. Los esfuerzos cclicos pueden estar causados porcargas mecnicas en fluctuacin o por esfuerzos trmicos. Bajo estas condiciones la pieza falla a un nivel deesfuerzo por debajo del cual fallara bajo carga esttica. Este fenmeno se conoce como fallo por fatiga.

Los mtodos de ensayo a la fatiga involucran la prueba de especmenes bajo varios estados de esfuerzo, por logeneral en una combinacin de tensin y compresin en torsin. La prueba se lleva a cabo con varias amplitudes deesfuerzo (S), queda registrado el nmero de ciclos (N) que se necesitan para causar la falla total del espcimen. Laamplitud del esfuerzo se define como el esfuerzo mximo, en tensin y en compresin, al cual se sujeta el

espcimen.Las curva N-S se basan en la inversin completa del esfuerzo, esto es, tensin mxima, y despus compresinmxima, y despus tensin mxima y as sucesivamente. La prueba tambin se puede lleva acabo en una flecha en rotacin con una carga constante hacia abajo. El esfuerzo mximo al cualse puede sujetar el material sin falla a la fatiga, independientemente del nmero de ciclos, seconoce como lmite de resistencia o fatiga o lmite a la fatiga.

Aunque muchos metales tienen un lmite de fatiga definido, otros no tienen lmite y la curva N-

S contina su tendencia hacia abajo. Para metales que exhiben este tipo de comportamiento, laresistencia a la fatiga se especifica a un cierto nmero de ciclos. De esta manera es posible especificarla vida de servicio til del componente. El lmite de fatiga para metales puede relacionarseaproximadamente con su resistencia tensil mxima.

CEDENCIA

La cedencia es la elongacin permanente de un componente bajo una carga esttica durante un cierto perodode tiempo. Puede ocurrir a cualquier temperatura. El mecanismo de cedencia a temperaturas elevadas en losmetales se atribuye al deslizamiento de las fronteras de grano.


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El ensayo de cedencia consiste en sujetar un espcimen auna carga constante a tensin, a una cierta temperatura y medirlos cambios en la longitud en varios incrementos de tiempo. Unacurva de cedencia tpica consiste en etapas primaria, secundariay terciaria. Eventualmente el espcimen falla debido a laformacin de cuello y fractura, conocida como ruptura o ruptura

por fluencia. La velocidad de fluencia se incrementa con latemperatura y la carga aplicada.La resistencia a la cedencia se incrementa con la

temperatura de fusin de un material.La relajacin del esfuerzo est relacionada con la cedencia.

En la relajacin del esfuerzo, los esfuerzos resultados de unacarga de un componente estructural se reducen a lo largo de unperiodo de tiempo, aun cuando las dimensiones del componentese conservan constantes. Este fenmeno es particularmente

comn e importante en los termoplsticos.

IMPACTOLos materiales pueden estar sujetos a cargas por impacto (o cargas dinmicas). Un ensayo de impacto tpico

consiste en colocar un espcimen con muesca en un probador de impacto, y romperlo con un pndulo de oscilacin.En la prueba Charpy el espcimen es soportado en ambos extremos, en la prueba Izod est

soportado solo en un extremo. Puede calcularse la energa disipada en la ruptura del materialpartiendo del monto de la oscilacin del pndulo. Esta energa es la tenacidad al impacto.

Las pruebas de impacto son particularmente tiles en la determinacin de la temperatura detransicin dctil frgil de los materiales. Los materiales que tienen una elevada resistencia deimpacto son aquellos que tienen una elevada resistencia y ductilidad y, por tanto, una elevadatenacidad. La sensibilidad a los defectos superficiales es importante, reduce de manera

significativa la tenacidad al impacto.

FALLA Y FRACTURA DE LOS MATERIALES EN LA MANUFACTURA Y ENEL SERVICIO

La falla influye de manera directa en la seleccin de un material para una cierta aplicacin, los mtodos demanufactura y la vida de servicio del componente.

Existen dos tipos generales de falla:1. Fractura y separacin del material, debido ya sea a grietas internas o externas, la

fractura se clasifica en dos categoras: fractura dctil y fractura frgil.2. Pandeado.La fractura dctil se caracteriza por la deformacin plstica que antecede a la falla de la pieza. En

la mayor parte de los metales y aleaciones se forma un cuello a un rea finita y despus falla. Lafractura dctil ocurre a lo largo de planos en los cuales el esfuerzo cortante es mximo.

En el examen de una superficie de una fractura dctil se observa un patrn fibroso con hoyuelos,como si sobre la superficie de fractura se hubieran efectuado un cierto nmero de ensayos muy pequeos a torsin.La falla se inicia con la formacin de pequeos huecos, por lo general alrededor de pequeas incrustaciones o dehuecos preexistentes, que entonces crecen y se juntan desarrollndose en grietas que crecen en tamao y que llevaa la fractura.

En un espcimen de ensayo a la tensin, la fractura se inicia en el centro dela regin del cuello, como resultado del crecimiento y de la unin de lascavidades. La regin central se convierte en una grieta grande, esta grieta sepropaga hacia la periferia de la regin del cuello. La superficie de la fractura deun espcimen de prueba a la tensin se conoce como fractura en copa y cono.

Debido a que se trata de sitios de nucleacin para los huecos, las inclusiones tienen una influencia importante enuna fractura dctil y, en consecuencia, en la capacidad de trabajar de los materiales. Las impurezas pueden estarformadas por impurezas de varios tipos y de partculas de segunda fase como xidos, carburos y sulfuros. Laextensin de su influencia depende de factores tales como su forma, su dureza, su distribucin y qu fraccinrepresentan del volumen total. Mientras mayor sea la fraccin por volumen de las inclusiones, menor ser laductibilidad del material. Los huecos y la porosidad desarrollados durante el procesamiento reducen la ductibilidaddel material.

Dos factores afectan a la formacin de huecos:a. La resistencia de la unin de la interfaz entre la inclusin y la matriz, si la unin es fuerte, entonces hay

menos tendencia a la formacin de huecos durante la deformacin plstica.


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b. La dureza de la inclusin. Si es blanda aceptar el cambio general del espcimen o pieza de trabajo durantela deformacin plstica, si es dura podra resultar la formacin de huecos. Las inclusiones duras, debido a sunaturaleza frgil, tambin se pueden romper en partculas ms pequeas durante la deformacin.

La alineacin de las inclusiones durante la deformacin plstica lleva a la formacin de fibras mecnicas. Unprocesamiento subsecuente del material deber involucrar consideraciones de la direccin apropiada del trabajo paraun mxima ductibilidad y resistencia.

Muchos materiales sufren un cambio brusco en ductibilidad y dureza en un rango corto de temperatura, conocidocomo temperatura de transicin. Este fenmeno ocurre en materiales cbicos centrados en el cuerpo y en algunoshexagonales compactos, raramente aparece en materiales cbicos centrados en la cara. La temperatura detransicin depende de factores como la composicin, la micro estructura, el tamao del grano, el acabado superficialy la forma del espcimen y la velocidad de deformacin. Las velocidades elevadas, con cambios abruptos de forma ylas muescas superficiales elevan la temperatura de transicin.

El envejecimiento por deformacin es un fenmeno en el cual los tomos de carbono en los aceros se segreganen dislocaciones, fijndolos por tanto, y de esta manera incrementando la resistencia al movimiento de lasdislocaciones. El resultado es una mayor resistencia y una menor ductibilidad. Ese fenmeno puede ocurrir enapenas unas cuantas horas a temperaturas elevadas, entonces se conoce como envejecimiento acelerado pordeformacin.

Un ejemplo de envejecimiento acelerado por deformacin es la fragilidad azul, ya que ocurre en el rango de calorazul, cuando el acero desarrolla una pelcula de xido azulado. Este fenmeno causa una reduccin marcada de la

ductilidad y la tenacidad, y un incremento en la resistencia de los aceros de carbono simple y de algunas aleaciones.La fractura frgil ocurre con muy poca o ninguna deformacin plstica. A la tensin, la fractura ocurre a lo largo

de un plano cristalogrfico (plano de separacin) en el cual el esfuerzo normal a la tensin es mximo. Los metalescbicos centrados en la cara por lo general no fallan por fractura frgil, en tanto que los metales cbicos centrados enle cuerpo y algunos hexagonales compactos si fallan por clivaje. Las bajas temperaturas y una alta velocidad dedeformacin promueven la fractura frgil.

En un metal policristalino bajo tensin, la superficie de fractura tiene una apariencia granular brillante, debido alos cambios en direccin de los planos de separacin conforme se propaga la grieta de un grano a otro. La fracturafrgil de u espcimen a compresin es ms compleja, incluso puede seguir una trayectoria tericamente a un ngulode 45 en relacin con la direccin de la fuerza aplicada.

Los esfuerzos tensiles normales al plano de separacin, causados por tensin se inician y controlan lapropagacin de la fractura. En torsin fallan a lo largo de un plano en un ngulo a 45 relativo al eje de torsin, estoes, a lo largo de un plano en el cual el esfuerzo tensil es mximo.

Un factor importante en la fractura es la presencia de defectos, como rayaduras, hendiduras y grietas externas ointernas preexistentes. Bajo tensin, la aguda punta de grieta queda sujeta a elevados esfuerzos tensiles, lo quepropaga la grieta rpidamente, porque el material tiene poca capacidad para disipar la energa.

La presencia de defectos es esencial en la explicacin de por qu los materiales frgiles exhiben tal debilidad ala tensin cuando se comparan con su resistencia a la compresin. Bajo esfuerzos a tensin, las hendiduras sepropagan con rapidez, causando lo que se conoce como falla catastrfica.

En los materiales policristalinos las trayectorias de fractura ms comnmente observadas son transgranulares(transcristalinas o intragranulares), esto es, la grieta se propaga a travs del grano. La fractura intergranular, donde lagrieta se propaga a lo largo de las fronteras de grano ocurre generalmente cuando las fronteras del grano sonblandas, contiene una fase frgil o han sido debilitados por una fragilizacin del metal lquido o slido.

La fractura por fatiga ocurre tpicamente en los materiales de naturaleza bsicamente frgil. Se desarrollangrietas diminutas, externas e internas en los defectos preexistentes del material, estas grietas se propagan y,finalmente, llevan a la falla total de la pieza. Las superficies de fractura por fatiga se caracterizan por el trmino

marcas de playa. Se puede observar una serie de estras sobre la superficie de fractura, estando cada marca deplaya formada por varias estras.

La vida a la fatiga es influenciada de una manera importante por el mtodo de preparacin de las superficies dela parte o del espcimen. La resistencia a la fatiga de productos manufacturados se puede mejorara utilizando losmtodos siguientes:

a. Induciendo esfuerzos residuales a compresin sobre la superficie mediante el granallado o el bruido conrodillo.

b. Endurecimiento superficial (cementacin) mediante diversos mtodos.c. Proporcionando un acabado superficial fino y, por tanto, reduciendo el efecto de muescas y otras

imperfecciones superficiales.d. Seleccionando materiales apropiados y asegurndose de que estn libres de cantidades significativas de

inclusiones, huecos e impurezas.Por el contrario la descarburacin, las picaduras superficiales (debidas a la corrosin) que actan como

elevadores de esfuerzo, la fragilizacin por hidrgeno, la galvanizacin y la electrodeposicin pueden reducir laresistencia a la fatiga.


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Un metal dctil puede fallar por fragilidad por agrietamiento por esfuerzo-corrosin, tambin conocido comoagrietamiento por esfuerzo o agrietamiento estacional. Las piezas libres de defectos pueden desarrollar grietas, yasea a lo largo de un periodo de tiempo largo o pronto despus de haber sido manufacturadas a un producto. Lapropagacin de grietas puede ser intergranular o transgranular.

La susceptibilidad de los metales a las grietas de esfuerzo-corrosin depende principalmente del material, de lapresencia y magnitud de esfuerzos tensiles y del entorno. El entorno puede incluir medios corrosivos, agua salada u

otros productos qumicos. El procedimiento usual para evitar las grietas de esfuerzo-corrosin es relevar el esfuerzode la pieza justo despus de haber sido formada.La presencia de hidrgeno puede reducir la ductilidad y causar una fragilizacin y la falla prematura en muchos

metales, aleaciones y materiales no metlicos. Este fenmeno se conoce como fragilizacin por hidrgeno y esespecialmente severa en los aceros de alta resistencia. Se presenta fuentes posibles de hidrgeno durante la fusindel material, durante el limpiado qumico y durante la electrolisis durante la electrodeposicin, otras son vapor deagua en la atmsfera y los electrodos hmedos utilizados en soldadura. El oxgeno tambin puede causarfragilizacin.

ESFUERZOS RESIDUALESCuando las piezas en trabajo se sujetan a una deformacin no uniforme a lo largo de la pieza, desarrolla

esfuerzos residuales. Se trata de esfuerzos que quedan dentro de la pieza una vez formada y eliminadas todas lasfuerzas exteriores. Un ejemplo tpico es la flexin de una pieza de metal.

El momento de flexin primero produce una distribucin de esfuerzo lineal elstica. Conforme se incrementa elmomento externo, las fibras exteriores de la pieza llegan a un nivel de esfuerzo lo suficientemente elevado comopara causar cedencia. Para un material de endurecimiento por deformacin tpica se alcanza finalmente ladistribucin de esfuerzos mostrada y la pieza ha sufrido deformacin permanente.

Retiremos ahora el momento externo. Esta operacin es equivalente a aplicar otro momento igual pero desentido contrario. En consecuencia los momentos de las reas oab y oac de la figura deben ser iguales. La lnea oc,que representa el momento opuesto, es lineal porque toda descarga y recuperacin es elstica. La diferencia entreambas distribuciones de esfuerzo nos da un patrn de esfuerzo residual dentro de la pieza. Los esfuerzos residualesa compresin aparecen en las capas ad y oe, y los esfuerzos residuales a tensin en la capas do y ef.

Dado que no hay ninguna fuerza externa aplicada, las fuerzas internas resultado de estos esfuerzos residualesdeben estar en equilibrio esttico.

El equilibrio de los esfuerzo residuales puede ser, en algn momento, alterado debido a la eliminacin de unacapa de material de la pieza. La viga entonces adquiere un nuevo radio de curvatura a fin de equilibrar las fuerzasinternas. Estas alteraciones de los esfuerzos residuales lleva a la distorsin de la pieza. El equilibrio de los esfuerzosresiduales puede ser destruido mediante la relajacin de estos esfuerzos a lo largo de un cierto periodo de tiempo.

Los esfuerzos residuales pueden ser causados tambin por gradientes de temperatura dentro de un cuerpo. Lasexpansiones y contracciones locales causadas por los gradientes de temperatura dentro del material producen unadeformacin no uniforme dentro del material.

Por lo general no son deseables los esfuerzos residuales tensiles de una pieza, porque reducen la vida a la fatigay la resistencia a la fractura de la misma. Estas situaciones resultan porque una superficie con esfuerzos residualestensiles no puede sostener esfuerzos tensiles tan elevados provenientes de fuerzas externas, como los quesoportara una pieza libre de esfuerzos residuales.

Este debilitamiento es particularmente caracterstico de los materiales frgiles, o menos dctiles, en los cualesocurre la fractura con muy poca o casi ninguna deformacin plstica anterior. Los esfuerzos residuales tensiles


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pueden conducir a lo largo de un periodo de tiempo a grietas por esfuerzo y corrosin de los productosmanufacturados.

Los esfuerzos tensiles a compresin de una superficie son por lo general deseables. De hecho, a fin deincrementar la vida a fatiga de los componentes, se imparten esfuerzos residuales a compresin de las superficiesmediante tcnicas como el granallado y el bruido.

Los esfuerzos residuales se pueden reducir o eliminar mediante el recocido de eliminacin o mediante

deformacin adicional de la pieza como su estirado. Dado un tiempo suficiente, los esfuerzos residuales tambinpueden disminuir a temperatura ambiente, mediante la relajacin de los esfuerzos residuales. El tiempo requeridopara la relajacin puede reducirse de manera importante elevando la temperatura de la pieza de trabajo.

TRABAJO, CALOR Y TEMPERATURAPrcticamente todo el trabajo de deformacin en el trabajo plstico se convierte en calor. Esta conversin no es

completa, porque una porcin de este trabajo queda almacenado dentro del material deformado como energaelstica. Este trabajo se conoce como energa almacenada y representa comnmente 5 10% de la energa toral deentrada y en algunas aleaciones hasta el 30%.

En un proceso simple sin friccin, suponiendo que el trabajo se convierte totalmente en calor, la elevacin detemperatura terica, adiabtica, es: donde u es la energa especfica (trabajo de deformacin por unidad de volumen), es la densidad y c es el calorespecfico del material. Se puede observar que estn asociadas las temperaturas ms elevadas con grandes reasbajo la curva de esfuerzo-deformacin y con valores ms pequeos del calor especfico. El calor especfico y laconductividad trmica dependen de la temperatura.


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CAPTULO3:CONFORMACINPORMOLDEOI

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El proceso de fundicin se trata de:a. Vaciar el metal fundido en un molde construido siguiendo la forma de la pieza a manufacturarse.b. Dejar que se enfre.c. Extraer el metal del molde.Los puntos importantes a tomar en cuenta en operaciones de fundicin son los siguientes: El flujo del metal fundido en la cavidad del molde.

La solidificacin y enfriamiento del metal en el molde. La influencia que tiene el tipo de material.La solidificacin y enfriamiento de los metales en el molde se ven afectados por varios factores, incluyendo las

propiedades trmicas y metalrgicas del metal. El tipo de molde tiene una influencia ya que afecta a la velocidad deenfriamiento dentro del molde.

SOLIDIFICACIN DE LOS METALES.Despus que un metal fundido es vaciado en un molde, ocurren una serie de eventos durante la solidificacin de

la fundicin y su enfriamiento hasta la temperatura ambiente. Estos eventos influencia de manera importante eltamao, forma, uniformidad y composicin qumica de los granos formados en toda la fundicin, lo que, a su vez,tiene influencia sobre las propiedades generales. Los factores de significacin que afectan a estos eventos son eltipo de metal, las propiedades trmicas tanto del metal como del molde, la relacin geomtrica entre el volumen yrea superficial de la fundicin.

Metales puros. Dado que un metal puro tiene un punto de fusin (o de solidificacin)claramente definido, se solidifica a una temperatura constante.Despus que la temperatura del metal fundido baja a su punto de solidificacin, latemperatura se mantiene constante mientras el calor latente de fusin se disipa. El frentede solidificacin (interfaz slido-lquido) se mueve a travs del metal fundido,solidificndose a travs de las paredes del molde hacia el centro. Una vez ocurrida lasolidificacin en cualquier punto, se reanuda el enfriamiento. El metal solidificado,conocido como la fundicin, es extrado del molde y dejado enfriarse a la temperaturaambiente.

En las paredes del molde, que estn a temperatura ambiente, el metal se enfracon rapidez. Un rpido enfriamiento produce una piel o cscara de granos finosequidimensionados. Los granos crecen en direccin opuesta a la transferencia decalor a travs del molde. Aquellos granos que tengan una orientacin favorable

crecern de manera preferencial y e conocen como granos columnares.Conforme se reduce la fuerza impulsora de la transferencia trmica al alejarse delas paredes del molde, los granos se hacen equiaxiales y grandes. Aquellosgranos que tengan orientaciones sustancialmente distintas quedan bloqueados

contra un crecimiento adicional. Este desarrollo de los granos se conoce como nucleacin homognea, lo que quieredecir que los granos crecen sobre s mismos, a partir de la pared del molde.Aleaciones. En las aleaciones se inicia cuando la temperatura se reduce por debajode la temperatura liquidus TLy es completa cuando alcanza la temperatura de solidusTS. Dentro de este rango de temperatura la aleacin est en un estado blando opastoso con dendritas columnares.Se observa la presencia de metal lquido entre los brazos de las dendritas. stastienen brazos y ramas tridimensionales (brazos secundarios) que al final seinterconectan. Las estructuras dendrticas contribuyen a factores negativos como

variaciones en la composicin, segregacin y microporosidad.El ancho de la zona blanda es donde estn presentes simultneamente las fases lquida y slida. Esta zona sedescribe en funcin de la diferencia de temperatura y es conocida como rango de solidificacin:

Los metales tienen un rango de solidificacin que se acerca a cero y elfrente de solidificacin se mueve con un frente plano, sin formar una zonablanda. Los eutcticos solidifican de una forma similar, un frenteaproximadamente plano.El tipo de solidificacin desarrollada depende de la composicin deleutctico. En aleaciones con un diagrama de fase casi simtrico, laestructura es laminar, con dos o ms fases slidas presentes,dependiendo del sistema de aleacin. Cuando la fraccin volumtrica dela fase menor de la aleacin es inferior a 25%, la estructura se hace

fibrosa. Estas condiciones son particularmente importantes para los hierros fundidos.Para las aleaciones, por lo general un rango de solidificacin corto involucra una diferencia de temperatura de menosde 50C y un rango de solidificacin largo ms de 110C. Las fundiciones de hierro tienen zonas blandas angostas,


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en tanto que las aleaciones de aluminio y de magnesio tienen zonas blandas anchas. Estas aleaciones se conservanen un estado blando a lo largo de la mayor parte del proceso de solidificacin.

Bajas velocidades de enfriamiento o tiempos de solidificacin local largos dan como resultado estructurasdendrticas gruesas con grandes espaciamientos entre los brazos dendrticos. A velocidades ms rpidas deenfriamiento o tiempos de solidificacin local cortos, la estructura se hace ms fina con un menor espaciamientoentre brazos dendrticos. Para velocidades de enfriamiento an ms elevadas las estructuras desarrolladas son

amorfas.Las estructuras desarrolladas y el tamao de grano resultante influencian las propiedades de la fundicin.Conforme se reduce el tamao del grano, se incrementa la resistencia y la ductilidad de la aleacin fundida, sereduce la microporosidad (huecos de contraccin interdendrticos) en la fundicin y disminuye la tendencia de lapieza fundida a agrietarse (desgarramiento en caliente) durante la solidificacin. La falta de uniformidad en el tamaoy en la distribucin del grano dan como resultado fundiciones con propiedades anisotrpicas.

Un criterio que describe la cintica de la interfaz lquido-slido es la relacin G/R, donde G es el gradientetrmico y R es la rapidez a la cual se mueve el interfaz lquido-slido. Las estructuras de tipo dendrtico tienen unarelacin R en el rango de 105a 107, en tanto que relaciones 1010a 1012producen un interfaz lquido-slido de frenteplano, no dendrtico.

La composicin de las dendritas y del metal lquido est dada por el diagrama de fase de la aleacin particular.Cuando se enfra la aleacin muy lentamente, dada dendrita desarrolla una composicin uniforme. Bajo lasvelocidades normales de enfriamiento se forman dendritas nucleadas. stas tienen una composicin superficial

distinta a la de sus ncleos (diferencia conocida como gradiente de concentracin).La superficie tiene una concentracin ms alta de elementos de aleacin

que el ncleo de la dendrita debido al rechazo de soluto del ncleo hacia lasuperficie durante la solidificacin de la dendrita (microsegregacin).

Existen varios tipos de segregacin. La macrosegregacin involucradiferencias en composicin en toda pieza fundida. En situaciones donde elfrente de solidificacin se aleja de la superficie de una fundicin como frente

plano, los constituyentes con menor punto de fusin en la aleacin en solidificacin sonempujados hacia el centro (segregacin normal). Este tipo de fundicin tiene una mselevada concentracin de elementos de aleacin en su centro que en sus superficies.

En estructuras dendrticas como las que se encuentran en las aleaciones de solucinslida ocurre lo contrario, el centro de la fundicin tiene una menor concentracin deelementos de aleacin (segregacin inversa). El metal lquido, que tiene concentracin ms

alta de elementos de aleacin, entra en las cavidades desarrolladas debido a contraccin por solidificacin en losbrazos dendrticos, que se ha solidificado con anterioridad.

La segregacin por gravedad describe la proceso mediante el cual las inclusiones o compuestos de densidadms elevada se hunden y los elementos ms ligeros flotan hacia la superficie.

Las zonas internas de granos equidiaxiales en piezas fundidas de aleacin de solucin slida se puede extenderpor toda la fundicin al aadir un inoculante (agente de nucleacin) a la aleacin. El inoculante induce la nucleacinde los granos por todo el metal lquido (nucleacin heterognea).

Debido a la presencia de gradientes trmicos en una masa en solidificacin de metal lquido, y debido a lagravedad u las diferencias resultantes en densidad, la conveccin tiene una fuerte influencia sobre las estructurasque se desarrollan. La conveccin promueve la formacin de una zona de enfriamiento exterior, refina el tamao delgrano y acelera la transicin de granos columnares a equidiaxiales. La estructura tambin se puede obtenerincrementando la conveccin dentro del metal lquido y los brazos dendrticos se separan (multiplicacin dedendritas). La reduccin o eliminacin de la conveccin da como resultado granos columnares dendrticos ms largos

y ms grandes.Los brazos dendrticos no son fuertes y en las primeras etapas de la solidificacin se pueden romper por

agitacin o por vibracin mecnica (formado semislido de metal y reofundacin). Este proceso da como resultadoun tamao de grano ms fino, con granos dendrticos equidiaxiales distribuidos ms uniformemente en todafundicin. Se puede aumentar la conveccin usando mtodos mecnicos o electromagnticos.

La falta de gravedad (o microgravedad) significa que no se presentan diferencias de densidad o gradientestrmicos significativos, y por tanto no se presenta conveccin, durante la solidificacin. Esta carencia de conveccinafecta la estructura de solidificacin y la distribucin de impurezas.

FLUJO DE FLUIDO.El metal fundido es vaciado a travs de un depsito en forma de copa, o basn. Despus fluye a travs del

sistema de alimentacin (bebedero, mazarotas y canales de alimentacin) en la cavidad del molde. El bebedero esun canal vertical a travs del cual el metal fundido fluye hacia abajo en el molde.

Los canales de alimentacin son los canales del molde que conectan el bebedero con los ataques. Los ataquesson la porcin del canal de alimentacin a travs de los cuales el metal fundido entra en la cavidad del molde. Las


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mazarotas actan como depsito para suministrar el metal fundido necesario para evitar la contraccin durante lasolidificacin.

Una fundicin de xito requiere del diseo y control apropiado del proceso de solidificacin para asegurar un flujode fluido adecuado en el sistema.

En el sistema de alimentacin son bsicos dos principios bsicos de la Mecnica de Fluidos:

Teorema de Bernouilli:

donde h es la elevacin por encima de un cierto plano de referencia,

p es la presin a dicha elevacin, v es la velocidad del lquido a dicha elevacin, es la densidad del fluido (supuestoincomprensible) y g es la constante gravitacional. La conservacin de la energa requiere que en un sitio particulardel sistema se satisfaga la relacin:

2

2 donde f representa la prdida por friccin en el lquido al moverse ste hacia abajo a travs del sistema. La prdidapor friccin incluye factores como prdida de energa en las interfases lquido-pared del molde y turbulencia en ellquido.Continuidad: Para lquidos incomprensibles y en un sistema con paredes impermeables, la velocidad del flujo esconstante , donde Q es la velocidad de flujo, A es el rea transversal de la corriente del lquido y v esla velocidad promedio del lquido.Es importante la impermeabilidad de las paredes del sistema, porque de lo contrario parte del lquido se saldra a

travs de las paredes y la velocidad de flujo se reducira conforme el lquido se mueve a travs del sistema.Una aplicacin importante de ambos principios es el diseo de los bebederos en forma de cono truncado.

Suponiendo que la presin en la parte superior del bebedero es igual a la presin en la parte inferior y que no hayprdidas por friccin, la relacin entre altura y rea transversal en cualquier punto del bebedero es:

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