PÁGINA 2: TEMA 0 INTRODUCCIÓN. Consideraciones de diseño: cuando se diseña algo se valora la ductilidad fragilidad. Un material puede pasar de dúctil a frágil si la temperatura es muy baja ante impacto o por triaxialidad. Dos tipos de propiedades. Propiedades cualitativas: condiciones en las que el material trabajará condiciones de degradación consideraciones económicas y proceso de fabricación y tratamientos. Las cualitativas no son cuantificables y las cuantitativas pueden compararse. Homogeneidad: mismas propiedades en todos los puntos. Isotropía: mismas propiedades en todas direcciones. Anisotropía: propiedades diferentes en cada dirección. Elasticidad: al eliminar esfuerzos recupera su forma inicial. Linealidad: relación entre tensión y deformación en línea recta. Plasticidad: se deforma sin la aplicación de cargas exteriores. Ductilidad fragilidad: deformación total hasta rotura. Maleabilidad: capacidad de deformación de un material a compresión. Soldabilidad: mayor o menos facilidad para obtener soldaduras homogéneas. Propiedades cuantitativas. Resistencia a la tracción: esfuerzo de tracción máximo. Límite de proporcionalidad: mayor esfuerzo que a deformación proporcional Sp. Límite elástico: inferior al valor que cumple la Ley de Hooke Te. Límite de fluencia: a partir de este valor hay deformación plástica. Módulo de elasticidad: deformación de un material bajo carga. Resistencia a la cizalladura: resistencia mecánica a un cortante puro. Resiliencia: capacidad de un material para almacenar energía elástica. PÁGINA 39: TIPOS DE MATRICES. Orgánicas son plásticos. Termoestables no se pueden volver a conformar tras polimerizar son frágiles y muy habituales como poliéster o epoxy. Termoplásticas se ablandan con la temperatura permitiendo volver a conformar con presión y calor en proceso físico. Cerámicas para alta temperatura e incombustibles son muy difíciles y caras reforzadas con carbono o SiC. PÁGINA 40: MATRICES METÁLICAS. Emplean casi siempre metales ligeros Al o Ti fabricadas por procedimientos de sinterización y pulvimetalurgia. Refuerzos no siempre fibras largas sino también bolas de fibras. Elección depende de carácterísticas de pieza y proceso de fabricación siendo un compromiso entre prestaciones y costo.
PÁGINA 3: PROPIEDADES Y DINÁMICA. Tenacidad: capacidad de un material para almacenar energía. Dureza:
resistencia de un material a ser rayado. Tenacidad a la entalla: resistir grietas en su interior. Creep:
deformación de un material en caliente sin cargas exteriores adicionales a lo largo del tiempo. Viscoelasticidad: vuelve al origen. Termoplástico: a temperaturas altas se vuelve deformable o flexible. Creep presenta tres zonas: primary creep secondary creep y tertiary creep. Se utiliza el parámetro de Larson Miller para predecir la vida útil del material en función del tiempo o la temperatura.
La fórmula es LMP=T(18.3+logtr)/1000 Dinámica: todos los cuerpos presentan carácterísticas propias como masa volumen o frecuencias y modos naturales de vibración. Estos últimos son las frecuencias a las que un cuerpo entrará en resonancia y la forma en que vibrará. Depende de la masa y del material y de la rigidez por lo tanto del diseño. Si las fuerzas exteriores coinciden con estos valores las tensiones y deformaciones se amplifican. La amplitud depende del amortiguamiento que es la capacidad de disipar energía vibratoria debido a su construcción y por su material. PÁGINA 5: DIAGRAMA DE FUNDICIONES. Fundición según enfriamiento. Muy rápido produce fundición blanca. Moderado produce fundición gris perlítica. Lento produce fundición gris ferrítica. Tratamientos: si se vuelve a calentar la blanca produce maleable perlítica o maleable ferrítica. Con adición de magnesio y cera se obtiene fundición dúctil perlítica o fundición dúctil ferrítica.
PÁGINA 6: TEMA 1 MATERIALES METÁLICOS. Las aleaciones se dividen en férreas como aceros y fundiciones y no férreas. Aceros: aleación hierro carbono con otros aleantes donde el carbono es menor al dos por ciento.
Según contenido en carbono los aceros de bajo contenido menor a cero veinticinco por ciento no responden a los tratamientos para formar martensita y tienen endurecimiento por medios físicos o acritud. Constituyentes: ferrita y perlita. Son blandos con resistencia limitada alta tenacidad y se mecanizan con facilidad. Su producción es económica y son fácilmente soldables. Aceros de contenido medio: entre cero veinticinco y cero seis por ciento. Pueden tratarse térmicamente mediante temple para mejorar su resistencia con austenitización temple y revenido. Tienen baja templabilidad lo que limita el espesor y requiere enfriamientos muy rápidos. Se alean con cromo níquel y molibdeno. Tienen elevadas resistencias al desgaste pero al mejorar resistencia pierde ductilidad y tenacidad pudiendo llegar a la fragilización de las piezas. PÁGINA 8: ACEROS ESPECIALES. Aceros de alto contenido en carbono: entre cero seis y uno punto cuatro por ciento. Son los más duros y resistentes aunque pierden ductilidad. Se utilizan templados y revenidos siendo resistentes al desgaste para fabricar herramientas de corte moldes y matrices. Se alean con Cr V W y Mo que forman carburos muy duros. Aceros inoxidables: predomina el cromo al once por ciento con resistencia a la PÁGINA 9: FUNDICIONES. Aleaciones férreas con carbono entre tres y cuatro punto cinco por ciento además de otros aleantes. Temperatura de fusión más baja que los aceros. La formación de grafito se controla mediante la velocidad de enfriamiento y la composición. Al añadir silicio se favorece la aparición de grafito. Fundición gris: silicio entre uno y tres por ciento y carbono entre dos punto cinco y cuatro por ciento. El grafito suele precipitar en forma de escamas rodeado de una matriz de ferrita si es lento o de perlita si es rápido. Mecánicamente son bastante frágiles a tracción con resistencias bajas. Presentan muchos puntos de concentración de tensiones internas. A compresión las propiedades son muy superiores con buen amortiguamiento y buena resistencia al desgaste siendo muy fluidas y baratas.
PÁGINA 10: OTROS TIPOS DE FUNDICIÓN. Fundición dúctil nodular: añadir magnesio o cerio a la fundición. El grafito precipita en forma de esferas rodeadas de perlita o ferrita. Mecánicamente son muy resistentes y dúctiles similares a los aceros. Fundición blanca: silicio menor al uno por ciento y enfriamiento rápido produce cementita en lugar de grafito. Debido a la cementita es muy dura pero muy frágil y prácticamente no se puede mecanizar. Se usa para grandes resistencias al desgaste que no precisen de ductilidad. Fundición maleable: si se calienta la fundición blanca entre ochocientos y novecientos grados se descompone la cementita en grafito y ferrita o perlita. El grafito aparece como racimos o rosetas. Resistencia mecánica alta y presentan comportamiento dúctil y maleable.
PÁGINA 11: ALEACIONES NO FÉRREAS. Limitaciones de aleaciones férreas: densidades elevadas conductividad eléctrica baja y facilidad de corrosión. Aleaciones de cobre: número atómico veintinueve densidad de ocho punto noventa y seis y estructura FCC. Excelente conductor eléctrico y térmico resistente a la corrosión fácil de trabajar y gran ductilidad para trabajo en frío. Las propiedades mecánicas son limitadas y se mejoran mediante aleaciones por acritud o solución sólida ya que no suelen ser tratables térmicamente. Latones: cobre más cinc. Fase alfa estable hasta treinta y cinco por ciento de cinc son materiales blandos y dúctiles para trabajo en frío. Con cinc entre treinta y cinco y cuarenta y tres por ciento es fase alfa más beta para trabajo en caliente siendo más dura y resistente.
PÁGINA 12: BRONCES. Bronce: cobre más estaño con mejores propiedades mecánicas que los latones y buena resistencia al desgaste lubricado. Tienen buenas carácterísticas eléctricas y se trabajan en frío o caliente. Hasta el diez por ciento de estaño es fase alfa FCC para trabajo en frío. Mayor al diez por ciento es alfa más delta dura y solo posible por moldeo. Bronce al plomo: utilizado en cargas con rozamiento equipos hidráulicos y cojinetes. Bronce al estaño: para engranajes casquillos de motor piñones e instalaciones de vapor. Bronce al aluminio: para sector naval condensadores y fricción de cargas pesadas. Cupro níquel: presenta solubilidad total y permite trabajo en frío y caliente en todo el rango para monedas y embutición profunda. Aleaciones cobre berilio y cobre silicio: alta resistencia a tracción y corrosión aunque son mucho más caras. PÁGINA 13: ALEACIONES DE ALUMINIO. Aluminio: número atómico trece densidad de dos punto siete y estructura FCC. Buen conductor fácil de trabajar con baja densidad y elevada resistencia a la corrosión manteniendo elevada ductilidad. Temperatura de fusión baja. Se puede mejorar resistencia mecánica perdiendo resistencia a la corrosión. Codificación: serie mil es aluminio puro no tratable térmicamente serie dos mil es cobre tratable serie tres mil es manganeso no tratable serie cuatro mil es silicio no tratable serie cinco mil es magnesio no tratable serie seis mil es magnesio silicio tratable y serie siete mil es cinc tratable. PÁGINA 14: SERIES ALUMINIO. Serie mil: aluminio sin alear de baja dureza y resistencia con excelente comportamiento a la corrosión para radiadores y papel de aluminio. Serie dos mil: aluminio cobre endurecen mediante tratamiento térmico con propiedades mecánicas altas solo superadas por siete mil. Crecimiento de grieta bajo pero mala resistencia a corrosión requiriendo protección. Serie tres mil: aluminio manganeso no son tratables térmicamente mejorando resistencia mecánica por acritud con excelente comportamiento a corrosión para envases y latas. PÁGINA 15: SERIES ALUMINIO CONTINUACIÓN. Serie cuatro mil: aluminio silicio con colabilidad excepcional donde el cobre mejora fatiga y propiedades mecánicas. Serie cinco mil: aluminio magnesio no son tratables y endurecen por acritud siendo soldables para alimentación industria química y naval. Serie seis mil: aluminio magnesio silicio endurecen mediante tratamiento térmico con propiedades mecánicas medias buena soldabilidad y resistencia a corrosión. Serie siete mil: aluminio cinc magnesio endurecen mucho mediante tratamiento térmico siendo muy susceptibles a la corrosión bajo tensiones. Con cobre tienen las mayores propiedades mecánicas pero peor soldabilidad y resistencia en caliente deficiente.
PÁGINA 17: MAGNESIO Y TITANIO. Magnesio: número atómico doce densidad de uno punto siete estructura HC y es blando difícil de deformar en frío. Se usa en aplicaciones aeronáuticas pero su resistencia a la oxidación es deficiente en ambientes marinos ya que no forma película de protección. El polvo de magnesio es muy inflamable. Titanio: número atómico veintidós densidad de cuatro punto cinco estructura HCP resistente a la corrosión fácil de trabajar y biocompatible. Se basa en la transformación alotrópica a ochocientos ochenta y dos grados donde la fase alfa HC estable a baja temperatura pasa a fase beta BCC. PÁGINA 18: CLASIFICACIÓN TITANIO Y NÍQUEL. Titanio fase alfa: buena soldabilidad no es tratable térmicamente y tiene buena resistencia a altas temperaturas. Casi alfa: contiene pequeña cantidad de fase beta mejorando resistencia a fluencia creep. Alfa más beta: coexisten ambas fases endurecibles por precipitación con elevadas resistencias mecánicas. Fase beta: admiten soldadura y se endurecen por trabajo en frío. Níquel: material pesado de ocho punto nueve con alta temperatura de fusión. Absorbe hidrógeno con facilidad quedando fragilizado y es muy resistente al agua del mar. PÁGINA 19: ALEACIONES DE NÍQUEL. Monel es níquel cobre con buena resistencia a la corrosión pero no para atmósferas sulfurosas. Inconel es níquel cromo con buena resistencia a la oxidación en caliente. Incoloy es níquel cromo hierro excelente para altas temperaturas resistente a hidrógeno y sulfuros. Nimonic es níquel cromo cobalto para creep y deformación plástica en caliente. Hastelloy es níquel cromo molibdeno con gran estabilidad térmica y resistencia a corrosión hasta mil grados. Invar es hierro níquel con el coeficiente de dilatación más bajo que existe para moldes aeronáuticos. Nitinol es níquel titanio con memoria de forma para brackets de corrección. PÁGINA 20: METALES REFRACTARIOS. Tienen temperaturas de fusión muy elevadas como niobio molibdeno tungsteno y tantalio. La fusión va desde dos mil cuatrocientos sesenta y ocho grados del niobio hasta tres mil cuatrocientos diez grados del tungsteno. Tienen módulos de elasticidad muy altos por los fuertes enlaces interatómicos que les permiten alcanzar dicha temperatura de fusión. Son materiales muy pesados e intratables que a nivel industrial no tienen sentido.
PÁGINA 21: FATIGA. Es un tipo de fallo de un material que se produce ante esfuerzos repetitivos de forma frágil sin aviso previo. Precisa tensiones variables que generen esfuerzos de tracción. Se usa el ensayo de Wholer con probeta rotatoria para el diagrama SN que relaciona logaritmo de tensión y logaritmo de ciclos. El límite de fatiga es el valor por debajo del cual no hay rotura. La fórmula es sig=sig’(sumpi.Ci)
. Proceso: inicio de fatiga por defecto del material propagación y fallo completo con aspecto de ruptura dúctil. PÁGINA 23: COMPORTAMIENTO FATIGA. Factores que afectan son tensión media tamaño acabado concentraciones de tensión temperatura y fiabilidad. El concentrador de tensiones Kt aparece por irregularidades geométricas y depende de la geometría y tipo de esfuerzo. La tensión teórica es carga partido por área y la real es Kt por la teórica. El proceso es inicio de fatiga por defecto del material propagación y fallo completo con aspecto de ruptura dúctil. PÁGINA 24: TRATAMIENTOS TÉRMICOS. F es sin tratamiento O es recocido para máxima ductilidad W es por disolución H es por trabajo en frío o acritud y T son estados de endurecimiento térmico. Recocido es exponer a alta temperatura seguido de enfriamiento lento para disminuir tensiones e incrementar ductilidad. El endurecimiento por precipitación incluye disolución y envejecimiento que puede ser natural T1 o artificial T6. PÁGINA 25: TIPOS DE RECOCIDOS. Recocido subcrítico se usa para mitigar efectos de deformación en frío ablandando el metal endurecido por acritud. Estabilizado elimina esfuerzos residuales causados por mecanizado enfriamientos no uniformes o soldadura. Si no se eliminan se altera la geometría del componente y se pueden producir roturas locales. Se calienta a baja temperatura manteniendo y enfriando al aire.
PÁGINA 26: TRATAMIENTOS FÉRREOS. Normalizado se usa para afinar el grano y tener distribución uniforme siendo los de grano fino más tenaces. Recocido total para aceros de bajo y medio carbono que se van a mecanizar o endurecer por acritud produciendo perlita gruesa y fases dúctiles. Esferoidización forma partículas esferoidales de cementita para máxima ductilidad y suavidad. Temple para conseguir aceros martensíticos mediante enfriamiento rápido tras austenización. Templabilidad es la velocidad a la que desaparece la dureza hacia el interior de la pieza medida con el ensayo Jominy.
PÁGINA 28: CONFORMACIÓN. Las técnicas son de deformación plástica como forja laminación extrusión trefilado y otras como pulvimetalurgia soldadura y moldeo en arena coquilla o precisión. Consiste en modificar una pieza por deformación plástica superando el límite elástico del material que debe ser dúctil. En caliente requiere menos fuerza pero genera oxidación superficial y peor acabado. En frío mejora resistencia por acritud con pérdida de ductilidad pero mejor acabado y control superficial. PÁGINA 29: FORJA. Proceso de deformación de pieza metálica en caliente mediante impactos o presión. Puede ser de matriz abierta que son planas o circulares donde nunca sale la pieza terminada o matriz cerrada con la forma final. Los componentes forjados tienen muy buena microestructura y el fibrado mejora propiedades en la dirección del movimiento del material. PÁGINA 30: LAMINACIÓN Y EXTRUSIÓN. Laminación consiste en pasar pieza metálica entre rodillos para disminuir espesor alineando cristales. En frío deforma estructura en una dirección determinada aumentando propiedades y logrando buena superficie. En caliente permite grandes deformaciones sin orientar estructura ni ganar propiedades. Extrusión hace pasar un metal a través de un orificio en una hilera por medio de una elevada fuerza. En frío alinea estructura cristalina y mejora propiedades mecánicas. PÁGINA 31: TREFILADO Y MOLDEO. Trefilado consiste en hacer pasar un metal por una matriz que tiene la geometría deseada traccionando desde el lado de salida. Habitual en fabricación de tubos sin soldadura donde al no calentar se orientan cristales y mejora resistencia. Moldeo consiste en verter metal líquido en molde hueco para formas grandes o complicadas o materiales de baja deformabilidad siendo la opción más económica. Tipos son arena coquilla precisión cera perdida espuma o continuo. PÁGINA 32: PULVIMETALURGIA Y SOLDADURA. Pulvimetalurgia es compactación de pieza metálica a partir de metal en polvo para piezas de baja ductilidad. Sinterizado suele calentar hasta el setenta y cinco por ciento de la temperatura de fusión antes de una ligera compactación. Soldadura consiste en fundir dos zonas de material base con aporte para formar una única pieza con continuidad física. Genera zona afectada térmicamente ZAT con crecimiento de grano esfuerzos residuales y posibles cambios metalúrgicos o corrosión intergranular en inoxidables.
PÁGINA 33: TEMA 2 MATERIALES COMPUESTOS. Se entiende por material compuesto aquel que a nivel macroscópico está formado por dos o más materiales diferentes. Son fibras largas situadas en el seno de una matriz que rellena los huecos. Las fibras soportan la mayor parte de los esfuerzos y la matriz las mantiene unidas permitiendo la transmisión de esfuerzos. Las fibras rinden muy bien en su propia dirección. Ejemplos son hormigón armado o madera con celulosa y lignina. No es isótropo y se sitúan fibras en capas laminados. PÁGINA 34: DISEÑO COMPUESTOS. La orientación de láminas influye drásticamente en propiedades finales debiendo alinearse fibras con fuerzas exteriores para máximas prestaciones. Cada pieza es un diseño de pieza más material. Se apilan en diferentes direcciones tras estudio para evitar roturas ante variaciones de fuerza. El apilado debe ser simétrico respecto al plano medio para evitar anisotropía. Limitaciones son precio elevado de fabricación reciclado difícil y evitar burbujas de aire. PÁGINA 35: ARQUITECTURA COMPUESTOS. Fibras cortas no presentan direcciones preferentes y se consideran homogéneas como el poliéster reforzado con fibra de vidrio con muchísimas aplicaciones. Fibras largas presentan claras diferencias de propiedades según dirección. Arquitectura es la disposición interior alineación e interrelación entre láminas. Disposición unidireccional da mejores prestaciones pero es difícil de construir con toda la fibra en dirección adecuada. PÁGINA 36: MATERIAS PRIMAS. Tejidos bidireccionales son muy frecuentes y más sencillos con fibras entrelazadas. NCF son dos capas cosidas con mejores predisposiciones. Presentación como fibras secas o preimpregnados que dan máximas prestaciones gran calidad y repetitividad pero son los más caros. Bidimensionales y tridimensionales tienen mejor tolerancia al daño e impacto. PÁGINA 37: TIPOS DE FIBRAS. Fibras de vidrio son las más empleadas por relación prestación coste aislantes dieléctricas incombustibles y estables. Menos rígidas que carbono. Fibras de carbono son los mejores materiales por excelentes prestaciones específicas de rigidez peso y resistencia peso. Hay alta resistencia HR y alto módulo HM llegando a novecientos GPa. Son más caras que las de vidrio. PÁGINA 38: OTRAS FIBRAS. Aramida Kevlar tiene elevada resistencia al desgaste e impacto para chalecos antibalas siendo de la densidad más baja. Su uso es marginal porque empeora al absorber agua. Fibras cerámicas de carbono o carburo de silicio SiC para muy alta temperatura hasta dos mil grados requieren pirólisis en atmósferas inertes. Otras son boro metálicas madera o Spectra de poliamida a partir de termoplásticos trefilados.
