P R O P I E D A D E S D E
LOS MATERIALES...01 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS...03 PROPIEDADES FÍSICAS...03 LA MASA VOLÚMICA...03 DILATACIÓN TÉRMICA...04 PUNTO DE FUSIÓN O SOLIDIFICACIÓN...05 CONDUCTIBILIDAD TÉRMICA...06 PROPIEDADES QUÍMICAS...06 RESISTENCIA A LA CORROSIÓN...06 COMPOSICIÓN QUÍMICA...07 PROPIEDADES MECÁNICAS...08 DUREZA...08 RESISTENCIA...09 TRACCIÓN...10 COMPRESIÓN...11 CORTE...11 FLEXIÓN...12 TORSIÓN...12 ESFUERZOS COMPLEJOS...13 FLEXIÓN Y CORTE...13 TORSIÓN - ÁRBOL DE SECCIÓN MACIZA...14 TORSIÓN Y FLEXIÓN - ÁRBOL DE SECCIÓN MACIZA...15 TIPOS DE SECIÓN DE LOS ELEMENTOS MECÁNICOS...16 RESILIENCIA...17 PRUEBA DE RESILENCIA...18 FATIGA...19 PROPIEDADES TECNOLÓGICAS...20 MALEABILIDAD...20 DUCTILIDAD...21 FUSIBILIDAD Y COLABILIDAD...22 SOLDABILIDAD...22 TEMPLABILIDAD...23 MECANIZADO CON MÁQUINAS - HERRAMIENTAS...23 I
LOS MATERIALES Todas las piezas que constituyen los productos ilustrados arriba, están sujetas a diferentes esfuerzos, en consecuencia los materiales utilizados en la fabricación deben poseer determinadas propiedades. Mostramos a continuación, a modo de resumen, el esquema de las propiedades físicas, químicas, mecánicas y tecnológicas que influyen en los materiales de fabricación. 01
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PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS Las propiedades físicas y químicas de los materiales metálicos, cambian su manera de comportarse y de reaccionar cuando se encuentran en ambientes y situaciones especiales que pueden presentarse tanto durante su proceso de fabricación como durante su empleo normal. PROPIEDADES FÍSICAS Entre las propiedades físicas más importantes destacamos: - La masa volúmica. - Dilatación térmica. - Punto de fusión o solidificación. - Conductibilidad térmica. LA MASA VOLÚMICA Es la masa de la unidad de volumen. Por ejemplo decir que la masa volúmica (e) del hierro es 7,8 significa que 1 dm³ de hierro tiene una masa de 7,8 Kg. La masa volúmica es diferente para cada material. Esta propiedad puede ser muy importante por ejemplo cuando se necesitan materiales con cualidades especiales de ligereza como en la aeronáutica o de peso como para la construcción de lastres, contrapesos, etc. Mostramos a continuación la masa volúmica de los metales (Kg/dm³): 03
DILATACIÓN TÉRMICA La dilatación térmica es el aumento de volumen que sufre un cuerpo siempre que se incrementa su temperatura.la dilatación o contracción de los materiales metálicos asume una especial importancia en el campo de las herramientas de medición, que deben mantener una elevada precisión. El fenómeno de contracción de los metales es importante en la fundición para la fabricación de los moldes que dan origen a las coladas. 04
PUNTO DE FUSIÓN O SOLIDIFICACIÓN El punto de fusión es la temperatura a la que el material pasa del estado sólido al estado líquido. La temperatura del punto de fusión corresponde aproximadamente a la de solidificación. Estas características se aprovechan sobre todo en el campo de la fundición o de la soldadura. Mostramos a continuación como ejemplo la temperatura de fusión de algunos metales. 05
CONDUCTIBILIDAD TÉRMICA Es la aptitud de los materiales a propagar con facilidad el calor. Todos los metales que conducen el calor con facilidad son también buenos conductores de electricidad. Estas características asumen especial importancia en las soldaduras y en los tratamientos térmicos, o en ciertas aplicaciones como radiadores, etc. PROPIEDADES QUÍMICAS Las principales características químicas son: - Resistencia a la corrosión. - Composición química. RESISTENCIA A LA CORROSIÓN Es la capacidad de resistir a la acción corrosiva de los agentes exteriores y varía mucho en función del metal. La corrosión se debe a reacciones químicas o electroquímicas que tienden a disgregar el material transformándolo en óxidos, como por ejemplo: herrumbre. El fenómeno de corrosión se detiene preferentemente aplicando tratamientos superficiales de protección, como por ejemplo: pintura, cromado, etc. 06
COMPOSICIÓN QUÍMICA La composición química de los materiales afecta a los sectores de la fundición, el mecanizado y el campo de empleo. Esta composición, indicada a menudo por la sigla del material, es el factor que diversifica las características mecánicas, tecnológicas y físicas de la mayor parte de los materiales. Así por ejemplo en las aleaciones de hierro, basta una pequeña variación del porcentaje de carbono para conseguir dos materiales como el acero y el hierro fundido con características muy diferentes. 07
PROPIEDADES MECÁNICAS Las propiedades mecánicas representan el comportamiento de los materiales sometidos a esfuerzos de empleo. Para controlar el comportamiento de los materiales se realizan las pruebas directamente en la pieza examinada o bien en piezas patrón. Las propiedades mecánicas y las correspondientes pruebas son: - Dureza. - Resistencia. - Resiliencia. - Fatiga. DUREZ A La dureza es la resistencia que opone un material a la penetración de un cuerpo exterior. Es una característica requerida a las válvulas y asientos de válvulas. Para probar la dureza pueden utilizarse tres métodos: a. Brunei (con esfera), para durezas no elevadas b.rockwell (esfera o cono de diámetro), para durezas elevadas c. Vickers(penetrador de diamante a pirámide recta de base cuadrada), deja huellas muy pequeñas. 08
RESISTENCIA Es la capacidad de un material de soportar los esfuerzos que tienden a deformarlo o a romperlo. Los esfuerzos pueden ser simples o compuestos. Los simples son: - Tracción. - Compresión. - Corte. - Flexión. - Torsión. 09
TRACCIÓN La tracción es la acción a la que se somete una pieza cuando se ve sujeta a fuerzas contrarias axiales divergentes, como por ejemplo los tornillos. La prueba se realiza en una máquina especial capaz de registrar en un gráfico la entidad de las cargas y estiramientos de la probeta examinada. Analizando el gráfico pueden notarse 3 trazos característicos. AB - El material se comporta en modo elástico BC - El material cede y se deforma más allá del límite elástico CD - El material se alarga notablemente hasta la rotura. Determinante en la prueba es la carga de rotura R (Kg/mm²) que junto con la dureza es el elemento más significativo en la diferenciación de los materiales. Otro elemento importante, que se observa en el gráfico, es el alargamiento porcentual del material. 10
COMPRESIÓN La resistencia a la compresión en casi todos los materiales equivale a la resistencia a la tracción. En algunos casos es al revés, como para el hierro fundido, donde la resistencia a la compresión es superior a la tracción; este material se utiliza en todos esos casos en los que se deban soportar compresiones notables. CORTE La resistencia al corte puede ser un factor positivo o negativo. Positivo cuando esta resistencia contribuye a la funcionalidad de los órganos mecánicos, como por ejemplo pernos para ganchos de remolque o pernos para juntas de seguridad. Negativo en todos esos casos en que esta resistencia se opone al mecanizado como por ejemplo el corte de las chapas 11
FLEXIÓN El esfuerzo de flexión puede determinar una deformación permanente o temporal de la pieza examinada. Por supuesto se usan los materiales más elásticos para aplicaciones del tipo: muelles, ballestas, etc. y se usan los materiales más flexibles en el plegado de las chapas, y por último existen estructura rígidas para aplicaciones de tipo puentes, etc. TORSIÓN Están sujetos a torsión todas las piezas de transmisión o de conexión que se ponen en rotación. Ejemplos órganos en rotación: - Ejes de transmisión de los coches. - Brocas. - Llaves de tubo, acodadas, destornilladores, etc. 12
ESFUERZOS COMPLEJOS Por lo general el estado de esfuerzo de los órganos mecánicos es de tipo complejo: - - Esfuerzo Normal + Flexión (esfuerzo normal excéntrico). Corte + Flexión. - Flexión + Torsión. FLEXIÓN Y CORTE 13
TORSIÓN ÁRBOL DE SECCIÓN MACIZA Esfuerzo de torsión: Las tensiones tangenciales, generadas por el esfuerzo de momento de torsión, forman líneas cerradas para crear en la sección un momento de fuerza contrapuesto al del esfuerzo. Las unidades elementales de área de la sección reaccionan con valores de tensión mayores en los puntos más separados del centro de rotación al ser la tensión proporcional a la deformación. 14
TORSIÓN Y FLEXIÓN ÁRBOL DE SECCIÓN MACIZA 15
TIPOS DE SECCIÓN DE LOS ELEMENTOS MECÁNICOS Se ilustran en la figura los principales tipos de sección utilizados en los elementos perfilados con funciones de resistencia mecánica. El comportamiento del tipo de sección transversal, del elemento perfilado, se valora en función del mejor empleo de su superficie (mm 2 ), respecto a los distintos esfuerzos, tracción, compresión (carga de punta), corte, momento de flexión y momento de torsión: - Secc. en C Buena resistencia a la tracción, compresión, corte y flexión. - Secc. en I Buena resistencia a la tracción, compresión, corte y flexión. - Secc. en L Buena resistencia a la tracción, corte y flexión. - Secc. en T Buena resistencia a la tracción, corte y flexión. - Secc. rectangular hueca Buena resistencia a la tracción, corte y flexión. - Secc. cuadrada hueca Buena resistencia a la tracción, compresión, corte y torsión. - Secc. circular maciza Buena resistencia a la tracción, corte y torsión. - Secc. circular hueca Buena resistencia a la tracción, compresión, corte y torsión. 16
RESILIENCIA La resiliencia es la resistencia que opone un material a los golpes. Un material con baja resiliencia se dice frágil, como por ejemplo el cristal, el hierro fundido, etc. Un material con gran resiliencia, buena resistencia a la tracción y buen alargamiento se dice tenaz, como por ejemplos los aceros. 17
PRUEBA DE RESILENCIA Representa la medición de la resistencia de un material al esfuerzo dinámico (golpe). La prueba de resiliencia consiste en romper con un solo golpe, con una maza a caída pendular, un patrón de dimensiones predeterminadas, con una incisión en la medianería y con los extremos apoyados. El valor de la resiliencia viene dado por el trabajo absorbido por la rotura y la sección transversal del patrón. La diferencia entre la energía de choque disponible y la energía determina el trabajo absorbido por la rotura del patrón. RE = ( P H - P h ) / A [ J / mm 2 ] 18
FATIGA Se ha constatado que muchos órganos mecánicos, sometidos a esfuerzos variables durante mucho tiempo, se rompen bruscamente sin manifestar deformaciones permanentes visibles y bajo cargas notablemente inferiores a las de rotura por esfuerzo estático. La rotura de un material debido a esfuerzos repetidos y variables se denomina rotura por fatiga. NOTA: Los órganos mecánicos raramente se someten a esfuerzos simples, en la mayor parte de los casos sufren un conjunto de esfuerzos que toman el nombre de esfuerzos compuestos o complejos. 19
PROPIEDADES TECNOLÓGICAS Las propiedades tecnológicas representan el comportamiento de los materiales sometidos a distintos procesos de mecanizado. MALEABILIDAD Es la propiedad de algunos materiales de cambiar de forma, sin perder sus características mecánicas, cuando se someten a acciones deformantes como: laminación, embutición, forja, acuñación, etc. Algunos materiales son maleables en frío, por ejemplo: el cobre, el plomo, el oro; otros en caliente, por ejemplo: el hierro. Para determinar el grado de maleabilidad se efectúan pruebas que simulan las condiciones de mecanizado de los metales; se realizan por consiguiente pruebas de embutición, de plegado, de forja, etc. 20
DUCTILIDAD Es la aptitud de algunos materiales de dejarse reducir a hilos. Algunos de estos materiales son: el platino, el cobre, el oro, el aluminio, etc. y la operación puede realizarse en frío o en caliente. 21
FUSIBILIDAD Y COLABILIDAD Todos los materiales, si se calientan hasta una cierta temperatura, se funden pero sólo algunos alcanzan una buena fluidez. Esta característica se define colabilidad y se aprovecha en los altos hornos para conseguir coladas sanas, es decir piezas sin soplados y que copien fielmente los huecos del molde. SOLDABILIDAD Es la característica que presentan algunos materiales de unirse si se calientan adecuadamente y se comprimen entre sí. Esta característica está presente en algunos tipos de soldaduras como por ejemplo: soldaduras por fricción y soldaduras por resistencia (por puntos o de cabeza). Tienen una buena soldabilidad todos esos metales que presentan una escasa fusibilidad, por ejemplo el hierro. 22
TEMPLABILIDAD Es la propiedad que tienen algunos materiales metálicos para cambiar su dureza, cuando, tras haberlos calentado a una cierta temperatura, se sumergen en un fluido de refrigeración (agua, aceite, aire, etc.). Cuando con este procedimiento se consigue un aumento de la dureza se dice que el temple es positivo, por ejemplo en los aceros. Por el contrario cuando se consigue una disminución de la dureza se dice que el temple es negativo, por ejemplo en el cobre. MECANIZADO CON MÁQUINAS-HERRAMIENTAS Es la aptitud de un material a ser trabajado con eliminación de virutas mediante una herramienta adecuada de corte. 23