ESTRUCTURA CRISTALINA DEL ACERO
Introducción :
Para empezar hay que aclarar las diferencias entre el acero y el hierro siendo hierro el elemento químico de numero atómico 26 teniendo una masa atómica de 55.84 e identificado con el símbolo Fe, en cambio el acero es una mezcla de hierro con carbono en proporción de la masa del 0.03% al 2.14%, si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2.14% este se haría más frágil Solidificación Solidificación : •
Cuando un metal se solidifica desde el estado líquido al el sólido los átomos se ordenan a sí mismos de manera pelicular para cada metal, para este arreglo se le llama red espacial, un sólido que tiene sus átomos de esta manera se le denomina “solido cristalino”; los metales son sólidos cristalinos los cuales poseen un
punto de fusión bien definido siendo el del hierro 1539 °C Tipos de solidificación del acero:
Los metales solidifican en seis estructuras reticulares principales: •
Cúbica centrada en el cuerpo (b.c.c)
•
Cúbica centrada en las caras (f.c.c.)
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Hexagonal compacto (c.p.h.)
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Cúbica
•
Tetragonal centrado en el cuerpo
•
Romboédrica
•
Cúbica centrada en el cuerpo:
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Formada por un átomo del metal en cada uno de los vértices de un cubo y un átomo en el centro. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro alfa, titanio, tungsteno, molibdeno, niobio, vanadio, cromo, circonio, talio, sodio y potasio.
•
Cada átomo de la estructura, está rodeado por ocho átomos adyacentes y los átomos de los vértices están en contacto según las diagonales del cubo
Cúbica centrada en las caras •
Sistema cubico centrado en las caras el cual se representa de la siguiente manera. En esta celda unitaria hay un átomo en cada vértice el cubo y uno en el centro de cada cara. Indica que los átomos de esta estructura cristalina están empleados tan juntos cómo es posible, tiene un equivalente de cuatro átomos por celda unitaria.
Formas alotrópicas del hierro:
Y para complementar hablaremos de las formas alotrópicas del hierro. Variedad alfa •
El hierro cristaliza en la variedad alfa hasta llegar a los 768°C, su estructura es cubica centrada en el cuerpo teniendo una distancia entre átomos de 2.86 Å, esta variedad es particular ya que no se disuelve prácticamente en carbono siendo este el 0.008% 0 .008% a la temperatura ambiente, teniendo como punto de máxima solubilidad 723°C a un 0.02%.
Variedad beta •
En la variedad beta existe entre los 768°C a 910°C siendo cristalográficamente igual a l variedad alfa pero variando en la distancia entre átomos que es un poco mayor siendo 2.9 Å.
Variedad gamma •
En la variedad gamma se presenta de 910°C a 1400°C la cual cristaliza en la estructura cubica centrada en las caras, además de que el hierro gamma se disuelve más fácilmente en el carbono siendo su solubilidad desde 0.85% a 723°C hasta 1.76% a 1130°C a la vez esta variedad de Fe es magnético.
Variedad delta •
Y la variedad delta que se inicia a los 1400°C siendo su solubilidad máxima de carbono es de 0.007% a 1487°C a nivel industrial este acero no es muy popular.
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Materiales metálicos y no metálicos
•
Materiales metálicos
•
Metales se llaman a aquellos materiales que son buenos conductores del calor y la electricidad, poseen alta densidad, tienen una elevada capacidad de reflexión de la luz, y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio).
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Se les llama ferrosos a aquellos cuyo componente principal es el hierro , el resto se considera no ferroso.
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Acero
•
El acero es una aleación de hierro con una cantidad de carbono que puede variar entre 0,03% y 1,075% en peso de su composición, dependiendo del grado.
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Propiedades
•
Resistencia al desgaste.
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Tenacidad.
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Maquinabilidad.
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Dureza
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Usos
•
Posee multitud de usos como cuberterías y utensilios de cocina, vigas, puentes, tirantes, chasis y carrocerías de coches, piezas de unión, herramientas, etc.
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Problemas
•
Se corroe y oxida fácilmente, por eso se le suelo añadir una capa protectora de cromo y/o níquel generando el acero inoxidable.
•
Tipos de acero inoxidable
•
Ferritic: Cromo 12%-17%, similar al acero suave.
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Austenitic: Contenido mínimo de 7% de níquel.
•
Duplex: Mezcla de ferritic y austenitic.
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Martensitic: Cromo 11%-13%.
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Fundición
•
Las fundiciones son aleaciones de hierro y carbono donde el contenido de carbono varía entre los valores de 2,5% y 4,5% , ya que a mayor contenido de carbono carecen de valor práctico en la industria.
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Propiedades
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Es un material muy duro.
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Resistencia al desgaste
•
Resistente a la corrosión.
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Problemas
•
No es dúctil, maleable y no se puede soldar.
•
Se le da forma fundiéndolo y dejando en un molde .
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Usos
•
Carcasas de motores y maquinaria, tapaderas de alcantarillado, farolas, patas de las mesas, etc.
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Hierro forjado
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También llamado hierro dulce, es hierro con un porcentaje en carbono de 0,05%-0,025% siendo una de las variedades de uso comercial con más pureza en hierro.
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Propiedades
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Poca tenacidad .
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Puede soldarse mediante forja.
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Maleable .
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Fácilmente alear con otros metales.
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Problemas
•
No es muy resistente.
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Uso
•
Se utiliza en la construcción de grandes estructuras como puentes, para fabricar rejas, puertas, cerraduras y pestillos.
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Aluminio
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Es un mineral muy abundante en la naturaleza, de color blanco plateado.
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Propiedades
•
Alta resistencia a la corrosión.
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Blando.
•
Maleable.
•
Dúctil.
•
Baja densidad.
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Conductor eléctrico y térmico.
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Usos
•
Cables de líneas eléctricas de alta tensión, fabricación de aviones, automóviles y bicicletas debido a su baja densidad (peso).
•
También se emplea en carpintería metálica para fabricar puertas y ventanas, en útiles de cocina y botes de bebidas.
•
Cobre
•
Se obtiene a partir de los minerales cuprita, calcopirita y malaquita. A partir de cobre se pueden obtener varias aleaciones, las más conocidas son el latón (cobre y zinc) y el bronce (cobre y estaño).
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Propiedades
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Color rojizo y brillo intenso.
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Maleable.
•
Dúctil.
•
Blando.
•
Problemas
•
Se oxida fácilmente.
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Usos
•
cables eléctricos, hilos de telefonía, bobinas de motores, tuberías, calderas, radiadores y también para aplicaciones decorativas, bisutería y artesanía.
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Plomo
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Se obtiene de la galena y es de color gris plateado, blando y pesado (muy denso).
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Propiedades
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Gran plasticidad.
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Maleable.
•
Dúctil.
•
Conductor del calor.
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Tóxico por inhalación.
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Enfría muy rápidamente.
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Usos
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Usado en la fabricación de baterías y acumuladores y forma parte de algunas gasolinas.
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En la industria del vídreo se utiliza para dar dureza al vídreo .
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También se utiliza para la fabricación de armas.
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Níquel
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Al mineral más usado para la extracción del níquel es la niquelita aunque también aparece en algunos meteoritos.
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Propiedades
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Color blanco plateado.
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Duro.
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Maleable.
•
Dúctil.
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Usos
•
Se emplea como protector y revestimiento ornamental de otros m etales, en especial de aquellos que se corroen como el hierro y el acero.
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El cuproníquel (cobre y níquel) se utiliza para la fabricación de las monedas.
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Materiales no metálicos
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Varían mucho en su apariencia.
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No son lustrosos.
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No poseen brillo metálico.
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Por lo general son malos inductores de electricidad y calor.
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Dentro de sus propiedades físicas se puede encontrar la plasticidad, elasticidad, ductilidad y fragilidad.
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Polímeros
•
Los polímeros se definen como macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas (monómeros) que se repiten a lo largo de toda una cadena.
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Propiedades generales:
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Un bajo costo de producción
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Alta relación resistencia mecánica/densidad
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Alta resistencia al ataque de sustancias químicas, como los ácidos o las bases
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No son conductores de la electricidad
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Propiedades especificas
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Mecánicas
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Resistencia: Policarbonato.
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Dureza: Polietileno.
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Elongación: Polibutadieno.
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Físicas
•
Fibras: Baja elasticidad y extensibilidad.
•
Elastómeros: Alta extensibilidad y elasticidad.
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Plásticos : Ante un esfuerzo intenso se deforman irreversiblemente.
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Recubrimientos.
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Adhesivos.
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Térmicas
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Termoplásticos.
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Termoestables.
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Fibras textiles
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Se denomina fibra textil a los materiales compuestos de filamentos y susceptibles de ser usados para formar hilos o telas, bien sea mediante tejido o mediante otros procesos físicos o químicos.
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Debido a la enorme demanda, el consumo mundial de fibras se ha ido decantando hacia las fibras químicas, pues al ser atemporales, es decir, que se producen continuamente según las necesidades del mercado, tienen una calidad uniforme y no dependen del crecimiento natural de la planta o animal; y generalmente son más económicas
•
Origen natural: lana pelos y seda
•
Origen vegetal: frutas como el algodón, tallo como el lino, hoja como la abacá y raíz como agave tequilana
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Origen artificial: caseína, tensei fibras de vidrio, etc.
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Origen sintético: mono componentes y bicomponentes
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Madera
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La madera es el primer recurso natural usado por el hombre por su ligereza con propiedades térmicas y mecánicas. Debido a su versatilidad se produce en muchas zonas una sobreexplotación de los recursos madereros lo cual produce deforestación en el terreno y a la larga produce desertificación.
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Propiedades
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Hendibilidad: Facilidad con que se abren las fibras a lo largo de la madera.
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Humedad: Cantidad de agua que tiene la madera estructura.
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Conductividad térmica y eléctrica baja.
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Contracción: Pérdida de volumen al perder parte del agua que contiene.
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Resistencia mecánica: Resistente al esfuerzo de tracción (estirarse) y a la comprensión.
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Flexibilidad: Propiedad característica de las maderas jóvenes, verdes y blandas, que pueden ser dobladas sin romperse.
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Dureza: Resistencia que ofrece al corte (aumenta con la densidad).
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Características estéticas.
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Cerámicos
•
Se entiende por material cerámico el producto de diversas materias primas, especialmente arcillas, que se fabrican en forma de polvo o pasta (para poder darles forma de una manera sencilla) y que al someterlo a cocción sufre procesos físico-químicos por los que adquiere consistencia pétrea.
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Propiedades
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Alta dureza.
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Alto aislamiento térmico y eléctrico.
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Resistencia a la corrosión y a los efectos de la erosión.
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Resistencia a altas temperaturas
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Alta resistencia a casi todos los agentes químicos.
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Poca tenacidad.
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Poca elasticidad.
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Clasificación
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Cerámicas gruesas: No han sufrido vitrificación debido a la baja temperatura del horno.
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Arcilla cocida: de color rojiza debido al óxido de hierro de las arcillas empleadas Con ella se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.
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Loza italiana: Se fabrica con arcilla entre amarilla-rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. Se emplea para fabricar vajillas baratas, adornos.
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Loza inglesa: Fabricada de arcilla arenosa a la cual se le ha eliminado el óxido de hierro y se le ha añadido silex, yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. Se emplea para vajilla y objetos de decoración.
•
Refractarios: Se fabrican a partir de arcillas mezcladas con óxidos de aluminio, torio, berilio y circonio. Se obtienen productos que pueden resistir temperaturas de hasta 3.00 0 °C.
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Materiales pétreos
•
Son los materiales naturales, o estos adaptados por el hombre, que sirven como base para elaborar elementos componentes de una obra civil o arquitectónica.
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Granito : Fabricación de mosaicos , cubiertas de lavabos , escaleras.
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Cenizas volcánicas: Se usa de agregado fino en la fabricación de cemento.
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Piedra pómez: Como agregado en el cemento.
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Tepetate: Como agregado fino para rellenar pisos o azoteas. OBJETIVOS EN LA SELECCIÓN DE MATERIALES
•
Objetivo General: Seleccionar el material más adecuado para una aplicación específica, a través de una buena base de conocimientos sobre la selección de materiales, y su relación con el diseño mecánico.
•
Objetivos Específicos:
•
1. Desarrollar capacidades que nos permitan aplicar los conocimientos tanto teóricos como prácticos en la resolución de problemas en entornos nuevos o dentro de contextos poco conocidos tanto de la ciencia de materiales como multidisciplinares. 2. Generar mediante la educación en la selección de materiales, la sensibilidad necesaria para formular juicios, a partir de información, que incluyan responsabilidades sociales y éticas vinculadas a las reflexiones de los conocimientos. 3. Desarrollar herramientas de aprendizaje que permitan a los estudiantes continuar su formación de un modo auto dirigido o autónomo. 4. Describir como la selección de materiales se relaciona con el proceso de diseño mecánico. 5. Utilizar el conocimiento de propiedades y estructura de los materiales ingenieriles y de las técnicas de procesamiento en la selección de materiales en un problema de diseño.
• •
Competencia a desarrollar:
•
Seleccionar los materiales de manera eficiente y disminuyendo los costos en ingeniería de procesos, y para la formulación de productos.
•
UN DISEÑADOR BUSCA SIEMPRE EL MATERIAL IDEAL .
•
CARATERISTICAS :
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▲ Inagotable y siempre disponible para
•
▲ Barato
•
▲ Fuerte, rígido, y dimensionalmente estable a diferentes temperaturas.
•
▲ Liviano.
•
▲ Resistente
•
▲ Respetuoso con el medio ambiente y las personas.
•
▲ Biodegradable.
su reemplazo.
para refinar y producir.
a la corrosión y al desgaste.
FACTORES BASICOS A CONSIDERAR EN LA SELECCIÓN DE MATERIALES
Físicos: Tamaño, forma, peso del material que se necesita, ambiente para q se conserve el material.
Mecánicos: Tienen que ver con la capacidad del material para soportar los
tipos de esfuerzos que se le imponen.
Procesamiento y posibilidad de fabricación: Se relacionan con la capacidad
de dar forma al material.
Duración de los componentes: Se relacionan con el tiempo durante el cual los materiales desempeñan las funciones a las que han sido destinados, en el ambiente al que están expuestos.
Costos y disponibilidad: En una economía impulsada por el mercado estos dos factores son inseparables.
Códigos, factores estatutarios:
Códigos: son conjuntos de requisitos que se imponen al material y a otros componentes (ASME, ASTM, SAE) Factores estatutarios: relacionados con los reglamentos loca les, estatales y gubernamentales o federales (según el país) r eferentes a los materiales y a los procedimientos que se utilizan o a la forma de deshacerse de los materiales. MÉTODOS DE SELECCIÓN MÉTODO TRADICIONAL El método mantiene buena aceptación debido a lo siguiente:
El ingeniero se siente seguro con un material usado en el mismo campo y ensayado.
Las características del material empleado, por ejemplo, acero, ya han sido estudiadas previamente y por lo tanto no es necesario realizar estudios previos a la selección.
El suministro de acero está asegurado.
Generalmente en un gran porcentaje de partes se usan aceros baratos, sin tratamiento térmico, evitando pérdida de tiempo en ensayos y procesos.
Ahorro considerable de tiempo.
Contribuye a la estandarización del stock de materiales.
Sin embargo, el uso de este método, en ocasiones conduce a serios problemas, ya que no se hace un estudio real del AMBIENTE DE TRABAJO DEL COMPONENTE O EQUIPO, el cual puede ser decisivo a la hora de escoger el material. MÉTODO GRAFICO Este método se apoya en graficas conocidas como MAPAS DE MATERIALES, en las que se relacionan por pares c iertas propiedades de los materiales. El método fue diseñado exclusivamente para ser utilizado durante la etapa conceptual de la selección de materiales. En estos mapas se puede hacer una aproximación del material más adecuado (perteneciente a una determinada familia de materiales), con base en la relación de las propiedades más importantes que debe poseer el componente. En estos mapas se relacionan entre otras, propiedades, la resistencia mecánica, módulo de elasticidad, densidad, tenacidad, conductividad térmica, costes, etc. El proceso consta de tres etapas: 1.
Definición de requerimientos para la aplicación considerada.
2.
Cálculo del índice o índices de material para la aplicación
3.
Selección del material usando el índice de material y los mapas de selección de materiales
MÉTODO CON LA AYUDA DE LA BASE DE DATOS En la Internet existe una amplia gama de bases de datos sobre materiales, que han sido construidas para comercialización libre o son distribuidas por vendedores de materiales. Estas bases de datos son el resultado de investigaciones en ensayos de materiales. Las bases de datos se dividen básicamente en dos categorías, numéricas y literarias o de referencias bibliográficas. Dentro de las más importantes bases de datos están el banco de datos de la ASTM, la SAE, la ASM, la AISI, la NASA. También se dispone de SOFTWARE ESPECÍFICO en el mercado para la selección de m ateriales, CES EduPack es uno de los más conocidos y empleados en el mundo del diseño e ingeniería. Por lo tanto, no cabe duda de que esta es una herramienta con un gran potencial. En su base de datos podemos encontrar hasta más de 3000 materiales diferentes, más de 200 procesos, todo tipo de datos técnicos, “notas científicas” e información completa y ilustrativa
de todos estos materiales y procesos. MÉTODO CON LA AYUDA DE LA BASE DE DATOS En la Internet existe una amplia gama de bases de datos sobre materiales, que han sido construidas para comercialización libre o son distribuidas por vendedores de materiales. Estas bases de datos son el resultado de investigaciones en ensayos de materiales. Las bases de datos se dividen básicamente en dos categorías, numéricas y literarias o de referencias bibliográficas. Dentro de las más importantes bases de datos están el banco de datos de la ASTM, la SAE, la ASM, la AISI, la NASA. También se dispone de SOFTWARE ESPECÍFICO en el mercado para la selección de m ateriales, CES EduPack es uno de los más conocidos y empleados en el mundo del diseño e ingeniería. Por lo tanto, no cabe duda de que esta es una herramienta con un gran potencial. En su base de datos podemos encontrar hasta más de 3000 materiales diferentes, más de 200 procesos, todo tipo de datos técnicos, “notas científicas” e información completa y ilustrativa
de todos estos materiales y procesos.
