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Materiales para el diseño 1
Alejandro Zuleta Gil
Materiales Metálicos
Materiales Metálicos
METALES
Materiales inorgánicos caracterizados por poseer enlaces de tipo
metálico en su estructura atómica, la cual es en la mayoría de los
casos cristalina
Materiales Metálicos
• Están compuestos básicamente por uno o más metales,
aunque pueden contener otros componentes.
Materiales Metálicos
• Están compuestos básicamente por uno o más metales,
aunque pueden contener otros componentes.
• Son muy electropositivos
Materiales Metálicos
MALEABILIDAD
FORJABILIDAD
FRAGILIDAD
TENACIDAD
TEMPLE
OXIDACIÓN
DUCTILIDAD
PROPIEDADES DE LOS METALES
Materiales Metálicos
PROPIEDADES DE LOS METALES
Maleabilidad
Es la propiedad de los metales de
poder ser modificados en su forma
y aun ser reducidos a láminas de
poco espesor a temperatura
ambiente, por presión continua,
martillado o estirado sin que estos
se fracture.
Materiales Metálicos
PROPIEDADES DE LOS METALES
Ductilidad
Es la propiedad de un material que
permite ser alargado o estirado en
hilos.
Materiales Metálicos
PROPIEDADES DE LOS METALES
Forjabilidad
Es un proceso de deformación mediante el cual el material se comprime
empleando una fuerza de impacto para darle forma a la pieza deseada.
Materiales Metálicos
PROPIEDADES DE LOS METALES
Fragilidad
Es la facilidad con la que se rompe un
metal cuando es golpeado. Es lo contrario
a…
Materiales Metálicos
PROPIEDADES DE LOS METALES
Tenacidad
Es la resistencia que tiene un material a
romperse
• Mezcla sólida homogénea
– Dos o más metales
– uno o más metales con algunos elementos no metálicos.
• Se clasifican teniendo en cuenta el componente base.
– Aleaciones ferrosas: componente base es hierro.
– Aleaciones no ferrosas : componente base son otros metales
diferentes al hierro
Mejorar sus propiedades
Materiales Metálicos
Aleación
ACEROS FUNDICIONES DE HIERRO
AL CARBONO
ALEADOS
INOXIDABLES
HERRAMIENTAS
BAJO CARBONO
MEDIO CARBONO
ALTO CARBONO
GRIS
DÚCTIL
BLANCA
MALEABLE
METALES FERROSOS
Materiales Metálicos
Materiales Metálicos
La Minería se encarga de extraer minerales metálicos o menas (ej: Hematita). Mena: Es un mineral del que se puede extraer un elemento, un metal generalmente, por contenerlo en cantidad suficiente para ser aprovechado.
Obtención
Materiales Metálicos
Acero: Asociaciones: Industrial, pesado, resistente
Materiales Metálicos
• La Metalurgia trata de los metales elaborados y sus propiedades.
– Calcinación y tostación: es un proceso para obtener metales libres o puros calentando las menas en hornos y eliminando los óxidos que se producen.
Materiales Metálicos
Electrolisis
Cobre
ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES
Se presentan tres (3) tipos de configuraciones cristalinas en los
materiales metálicos
CÚBICA
CENTRADA
EN EL CUERPO
CÚBICA
CENTRADA
EN LAS CARAS
HEXAGONAL
COMPACTA
Materiales Metálicos
Acero
Aleaciones ferrosas
Componentes secundarios ◦ Metales. Mn, Ni, V, Cr, Co
◦ No Metales. C, P, Si, S.
Materiales Metálicos
Aleaciones ferrosas
Componentes secundarios ◦ Algunos aleantes:
Materiales Metálicos
Plomo : Para mejorar maquinabildiad
Acero
Aleaciones ferrosas
Componentes secundarios ◦ Algunos aleantes:
Materiales Metálicos
Cobalto y molibdeno: Mayor dureza Resistencia a las altas temperaturas
Acero
Acero
•
Aleaciones ferrosas
Componentes secundarios ◦ Algunos aleantes:
Materiales Metálicos
Níquel: Mayor tenacidad
La orientación de la estructura cristalina para cada grano es distinta.
Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo atómico es idéntico
MICROESTRUCTURA DE LOS METALES
La estructura granular es la estructura resultante después de la cristalización.
Materiales Metálicos
Entre más lento el enfriamiento de un metal, mayor uniformidad en el crecimiento de los granos
Al aumentar el tamaño del grano, disminuyen las propiedades mecánicas
Los granos son de forma irregular
MICROESTRUCTURA DE LOS METALES
Materiales Metálicos
Materiales Metálicos
Materiales Metálicos
Ventajas:
• Reciblable
• Tenaz
• Alta resistencia mecánica
• Fácil de conseguir
• Fácil de procesar
• Barato (0,63 -0,84 USD/Kg)
Desventajas
• Baja resistencia a la corrosión
• Energía de procesamiento
I
N
O
X
I
D
A
B
L
E
A
C
E
R
O
• Fe-C-Cr
Además: Ni, Mo y Co.
• Resistencia a la corrosión.
• Capa Pasiva.
• Reciclable
• Buena resistencia a las altas
• Temperaturas (hasta 900 oC)
• Excelente tenacidad
Aceros Inoxidables
Materiales Metálicos
Desventajas:
• Costosos (5 USD/Kg)
• Difícil de trabajar en frio
• Pesados
Aceros Inoxidables
Materiales Metálicos
Clasificación Composición Propiedades
Austeníticos
AISI 200-300
16-28% Cr
7-22% Ni
1,5-6 Mo
No Magnéticos
No endurecibles por TT térmicos.
Si por trabajo en frio.
Soldables
Buena resistencia a la corrosión
Excelente acabado superficial
Facilmente limpiables.
Buena tenacidad.
Ferríticos
AISI 400
11,5% -23% Cr
0.20% máx. C
Magnéticos.
No endurecibles por TT. Moderadamente
endurecibles por trabajo en frio.
Son muy difíciles de soldar. Moderada resistencia
a corrosión y baja tenacidad.
Aceros Inoxidables
Aleaciones ferrosas
Materiales Metálicos
Clasificación Composición Propiedades
Martensíticos
AISI 400
Cr 10.5-18%
C < 1.2%
Magnético
Endurecibles por TT. Alta
resistencia y moderada tenacidad.
Son muy difíciles de soldar.
Dúplex Cr 18-26 % Ni 4-
7%
C > 0.2%
Magnéticos.
Buena resistencia a corrosión.
Se pueden soldar. Mejores
propiedades mecanicas que los
aceros inoxidables austeníticos
Aceros Inoxidables
Aleaciones ferrosas
Materiales Metálicos
Aceros Inoxidables Materiales Metálicos
• ACERO 304
• Alta resistencia a la oxidación, posee Níquel y Cromo dentro de sus componentes que lo hace mas resistente mecánicamente.
• Mas dúctil (mayor elongación), propicio para procesos de deformación como la embutición.
• Posee Níquel, lo cual le proporciona mas propiedades para soldabilidad.
• ACERO 430
• Es un Acero Mas Rígido,
propicio para realizar
piezas planas
• Menos costoso que el
304
• No posee Níquel
• No posee buenas
propiedades para
soldabilidad
FUNDICIONES DE HIERRO
Materiales Metálicos
Son aquellos aceros que se trabajan a partir de fundición y
que presentan un porcentaje de carbono entre el 2.5% y
4.0% (Comercial)
La ductilidad de estas es muy baja por lo que no puede
laminarse, estirarse o deformarse a temperatura ambiente.
Aunque las fundiciones tienen propiedades mecánicas
inferiores a las de los aceros estas presentan otras ventajas
como son:
Materiales Metálicos
-Son más fáciles de maquinar que los aceros.
-Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad.
-En su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos.
-Absorben las vibraciones mecánicas y actúan como autolubricantes.
-Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y de buena
resistencia al desgaste.
De acuerdo con la apariencia de su fractura, las fundiciones pueden ser
grises, blancas, dúctil, etc
FUNDICIONES DE HIERRO
FUNDICIÓN GRIS
•Se llama fundición de hierro gris por el color
que toma su superficie cuando se fractura.
• Se compone de una aleación de hierro y
carbono (entre 2.5% y 4%) a la que se le
adiciona silicio y manganeso.
• Es la más utilizada de las fundiciones de
hierro por la facilidad de maquinado y la
obtención de formas
Materiales Metálicos
Materiales Metálicos
FUNDICIÓN NODULAR
•Se diferencia de la fundición de hierro
gris porque el grafito presente en su
microestructura se presenta en forma
de pequeñas esferas.
•Tiene generalmente magnesio (Mg) en
su composición química como agente
de nodulación.
•Mayor resistencia a la tracción y a la tenacidad en comparación con la
fundicion gris.
Materiales Metálicos
FUNDICIÓN NODULAR
Materiales Metálicos
FUNDICIÓN DE HIERRO
BLANCA
•Se llama fundición de hierro blanca por el color
que toma su superficie cuando se fractura.
•Alta dureza y resistencia al desgaste.
•Aleación poco utilizada por su extrema
fragilidad. Es también difícil de mecanizar.
Fundiciones Materiales Metálicos
ACEROS - HERRAMIENTAS
Son aceros que poseen una serie de
propiedades especiales que les permite
ser usados en aplicaciones con altas
demandas en prestaciones.
Alta resistencia al desgaste, corrosión,
estabilidad térmica
Contienen aleantes como cromo,
molibdeno tungsteno, vanadio,…
Materiales Metálicos
Materiales Metálicos
Materiales Metálicos
Aceros autoprotectores
Pertenecen al grupo de aceros HSLA (alta resistencia y baja aleación)
Cu, Cr, Ni, P, Si: % en peso no mayor que 3%
Contenidos entre 1 y 5% de aleantes
Designaciones más comunes ASTM A-242 A-588
A-606-4 A-709 A-852 A-871
Aceros autoprotectores
Desarrollo: hace 40 años
Mayor resistencia a la corrosión atmosférica que los aceros ordinarios Capa de herrumbre interna de características protectoras (homogénea, impermeable, densa, adherente y con buenas propiedades mecánicas)
No requieren ser pintados o recubiertos
Son más costosos, pero poseen una mayor resistencia mecánica que los aceros al carbono, lo que ayuda a reducir el peso de las estructuras
Aceros autoprotectores USOS
Aceros autoprotectores USOS
Torres de transmisión en Finlandia (larga vida, menos espacio)
Aceros autoprotectores Medellín
Aceros autoprotectores Medellín
Aceros autoprotectores Medellín
Aceros autoprotectores
Puede acelerarse artificialmente el proceso de
oxidación sometiendo el producto a ciclos con
alternación de periodos secos y húmedos, previa limpieza mediante chorreado con
arena o granallado
Aceros autoprotectores
Es posible pintarlo: aplicando la primera capa de pintura sobre la superficie limpia, inmediatamente
después del proceso de decapado o chorreado con arena.
Aceros autoprotectores Efecto de los aleantes
Cu y P: promueven la formación de fases amorfas
Cr y Ni: favorecen la formación de capas delgadas y adherentes de productos de corrosión
Cu, Cr y Si: se concentran en las capas más internas
ALEACIONES
LIGERAS
ALEACIONES
PESADAS
METALES
PRECIOSOS
METALES
REFRACTARIOS
ALUMINIO
MAGNESIO
TITANIO
COBRE
PLOMO
NIQUEL
ORO
PLATA
PALADIO
PLATINO
TUNGSTENO
MOLIDENO
NIOBIO
METALES NO FERROSOS
Materiales Metálicos
• Basadas en metales diferentes al hierro. – Cu, Al, Pb, Zn, Ni, etc.
• Se incrementa las propiedades mecánicas
• Mejora su uso y su aspecto
• Mezclas homogéneas
Aleaciones No ferrosas
Materiales Metálicos
Materiales Metálicos
ALEACIONES LIGERAS
Son aleaciones formadas a partir de
metales bases de baja densidad como
el aluminio (Al) el magnesio (Mg), el y el
titanio (Ti)
• Es muy resistente a bajas temperatura
• Aplicaciones – Criogénicas,y en la industria aeroespacial.
– Industria automovilística.
– Proteger de ondas de luz, radio y infrarrojos.
– Pigmentos en pinturas para protección marina.
• Aleaciones – Al y Cu, Zn, Mn, Mg o Si
– Resistentes a la corrosión
– Mejorar la dureza y resistencia del aluminio
Aluminio y aleaciones Materiales Metálicos
Aluminio
Aluminio y aleaciones Materiales Metálicos
Aluminio
Aluminio y aleaciones Materiales Metálicos
Aluminio
Aluminio y aleaciones Materiales Metálicos
Aluminio
Deskology: The collection is comprised of a paper holder, doodad cup, card holder,
and pen holder. The accessories are made from aluminum, and were designed to
compliment the shell casings of Apple’s Mac computers. Although simple in
appearance, the items are highly detailed and built for durability.
Fuente: http://www.dtail.com/category/interior-design/page/2/
Aluminio y aleaciones Materiales Metálicos
Aluminio
Aleaciones de aluminio
ALUMINUM AND NATURAL WOOD
Silla MAGIS
TIPO RESISTENCIA A LA
CONFORMACIÓN (MPa)
RESISTENCIA A LA
CORROSIÓN
FORJADO
3003 36 Muy alta
6060 90 Alta
6061 112 Alta
6063 23 Alta
FUNDICIÓN DE ALUMINIO
LM5 (514) 99 Muy alta
LM6 (A413) 142 Alta
LM24 (380) 111 Moderada - alta
LM25 (A356) 91 Alta
Permite acabados
superficial de alta
calidad.
De las mas
apropiadas para
anodizado
HÁBITAT PROYECTO ESPECIAL SOLAR DECATHLON
Aleaciones de aluminio
Aleaciones de aluminio
Diámetro: Aproximadamente tres veces el espesor de la
lámina
Largo: Cerca de 1.5 veces el diámetro, medidos desde
el extremo inferior de la lámina:
Aleaciones de aluminio
TIPO RESISTENCIA A LA
CONFORMACIÓN (MPa)
RESISTENCIA A LA
CORROSIÓN
FORJADO
3003 36 Muy alta
6060 90 Alta
6061 112 Alta
6063 23 Alta
FUNDICIÓN DE ALUMINIO
LM5 (514) 99 Muy alta
LM6 (A413) 142 Alta
LM24 (380) 111 Moderada - alta
LM25 (A356) 91 Alta
Usado
comúnmente para
piezas extruidas
De gran uso en el
mobiliario
Aluminio y aleaciones Materiales Metálicos
Titanio
• Apariencia gris plateada
• Estructura HC
• Excelente resistencia a la corrosión.
• Buena relación peso-resistencia
• Aleaciones muy resistentes. Fe, Al, V, Mo
y otros
• Aplicaciones
– Implantes quirúrgicos.
– Industria aeronáutica, en las turbinas.
Titanio
Materiales Metálicos
Leica M9
BOTTA TITANIUM CLAVIUS
Zinc y aleaciones
Zinc • Tiene apariencia blanca azulosa
• Estructura HC
• Frágil a temperatura ambiente,
Muy maleable entre 100°C-180°C
• Duro, poco tenaz
Buena conductividad térmica.
Alta resistencia a la corrosión en ambientes naturales
• Aplicaciones
– Como recubrimiento protector en aceros y aluminios.
– Canaletas y bajantes de agua.
– En su forma de oxido como pigmento en pinturas.
• Aleación mas común: ZAMAK (Cinc, Aluminio, magnesio y crobre)
Zn-Al-Mg
Zn-Al-Cu-Mg
Materiales Metálicos
Magnesio y aleaciones Materiales Metálicos
Madera
Cinc
Magnesio y aleaciones Materiales Metálicos
ZAMAK (ZAMAC)
Magnesio y aleaciones Materiales Metálicos
ZAMAK (ZAMAC)
Punto de fusión: 386 oC
Zinc: extensa aplicación como recubrimiento de aceros expuestos a
la atmósfera Corrosión atmosférica
Modo de Obtención:
Electrolítico
•Fuente: ZnS (Blenda); sphalerita o zincblenda
Usos: Baterías, pinturas
pigmentos, bloqueador solar,
automotriz, ánodos
Se utiliza para recubrir el acero pues lo protege
por tres razones:
1. Efecto Barrera.
2. Protección Catódica
HÁBITAT PROYECTO ESPECIAL SOLAR DECATHLON
• DIFERENTES ATMÓSFERAS
Industrial
Rural Urbana
Marina
La galvanización en caliente es un proceso en
el cual el hierro o el acero, se sumergen en
un baño de zinc líquido formando una
aleación que protege al mismo contra la
agresividad del medio que lo rodea
• Estanislao Sorel (1837)
• Mecanismo de Barrera :
Óxido de Zinc+H2O =
Hidróxido + CO2= Carbonato
de Zinc Insoluble.
• Protección Catódica :
cuando el zinc y el acero se
conectan en presencia de un
electrolito, el zinc se
consume lentamente al
mismo tiempo que se va
protegiendo al acero.
anodo
catodo
COMPARACION OTROS SISTEMAS
Galvanizado
Pintura rica en Zn
Electroplating
• La unión metalúrgica asegura el que no pueda haber corrosión por debajo del recubrimiento.
• El galvanizado da una protección superior en áreas tan importantes
como esquinas y bordes.
Grupo de Corrosión y Protección – Universidad de Antioquia
Ventajas Desventajas
Bajo precio.
Larga vida de servicio de los recubrimientos
de zinc.
Libre de mantenimiento
Las dimensiones de los materiales a
galvanizar se ven limitados por el tamaño de la
cuba de zinc.
El tratamiento puede realizarse de manera
continúa eliminando la probabilidad de errores.
El color del recubrimiento sólo puede ser
cambiado mediante pintura.
Cuando existen daños en la superficie de
recubrimiento el zinc la protege por medio de
acción catódica
El proceso sólo puede ser realizado en
instalaciones fijas.
El producto terminado no requiere controles
especiales de manejo y embalaje.
Se presentan riesgos al galvanizar materiales
largos, ya que pueden deformarse por efecto
del calor.
Las superficies pueden ser soldadas con
métodos usuales.
Proporciona uniformidad y buen espesor en
superficies de difícil acceso.
1.PREPARACION DE LA SUPERFICIE.
– Desengrase. (NaOH)
• (700C) Con serpentín o Resistencias Internas
• Remover polvo, aceite, pintura.
– Decapado.(HCl 12%)
• ( 21 Be)
– Lavado.(Agua)
– Fundente: • (NH4Cl; 210 gr/l) (ZnCl2;
180gr/l) (%Fe=6gr/l)
Baño de desengrase
2. INMERSION.
Función de:
– Material (Si, TT,
Soldadura, Tamaño)
– Temperatura (445-460ºC)
– Tiempo de Inmersión
(1-10min)
Galvanizado de tubería
Mala apariencia
Falta de galvanizado en
soldadura mal
escoriada.
Encorvado de las
piezas
Magnesio y aleaciones
• Metal estructural mas liviano. 1.7g/cm3
• Estructura H
• Poco dúctil.
• Baja Resistencia. Mejora con elementos de
aleación
• Aplicaciones:
– Elemento aleante.
– Industria automovilística, aeroespacial,
– Dispositivos portátiles
Materiales Metálicos
Magnesio
Magnesio y aleaciones Materiales Metálicos
Magnesio
Magnesio y aleaciones Materiales Metálicos
PELTRE
Magnesio y aleaciones Materiales Metálicos
PELTRE
Aleación de estaño, cobre,
antimonio y plomo
Magnesio y aleaciones Materiales Metálicos
ALEACIONES PESADAS
Son aleaciones formadas a partir de
metales bases de alta densidad
como el Cobre (Cu) el Plomo (Pb) y el
Níquel (Ni)
Cobre
• Color rojizo, brillante, maleable, dúctil.
• Estructura FCC
• Alta conductividad eléctrica y térmica,
• Buena resistencia a la corrosión.
• Fácil de trabajar y de soldar.
Materiales Metálicos
Aplicaciones
Conductores, hilos, cables y piezas para aparatos eléctricos, equipos térmicos como
intercambiadores, depósitos, refrigeradores, tuberías.
Materiales Metálicos
Cobre
Aplicaciones
Conductores, hilos, cables y piezas para aparatos eléctricos, equipos térmicos como
intercambiadores, depósitos, refrigeradores, tuberías.
Materiales Metálicos
Cobre
- Latones: Zn
- Bronce: Al, Si o Sn
Cobre y aleaciones
Aleaciones no ferrosas
Materiales Metálicos
Cobre
Old fashion
Materiales Metálicos
Materiales Metálicos
Cobre
Cobre
Materiales Metálicos
HÁBITAT PROYECTO ESPECIAL SOLAR DECATHLON
Plomo y aleaciones
Plomo
Aspecto plateado grisáceo, pierde brillo al
contacto con el aire
Estructura FCC
Muy baja resistencia a la tracción
Muy baja dureza
Dúctil, maleable, muy fácil de modelar
Plumbosis. Envenenamiento y/o Enfermedades
cardio-respiratorias
Materiales Metálicos
Plomo y aleaciones
Forma aleaciones con la mayoría de los metales
Aplicaciones: ◦ Placas de acumuladores eléctricos.
◦ Barrera para la radiación.
◦ Aleante en soldadura blanda, y elementos antifricción.
◦ Como base en pinturas anticorrosivas.
Aleaciones Plomo químico. Cu, Ag, Bi
Cúprico, Antimonioso, Telurioso
Terne, Pb-Sn (75-25)
Materiales Metálicos
Plomo
Estaño
• Aspecto poco brillante
• Estructura Tetragonal y CBC
• Muy maleable, dejándose reducir a láminas muy finas
• Dúctil
• Aplicaciones – En la industria alimenticia y farmacéutica, como envolturas
– Proceso de estañado sobre el cobre y láminas de acero, para envase de productos.
– Aleaciones de soldadura blanda, para circuitos electrónicos.
– Aleante en elementos antifricción.
Materiales Metálicos
Níquel
• Estructura FCC
• Buena resistencia a la oxidación a altas temperaturas
• Magnético (Tamb-360ºC)
• Aleaciones – Alnico (Al-Ni-Co)
– Permaloy (disp. Magnéticos)
– Invar (Ni-Fe) – Materiales de alta precisión
– Cuproníquel
• Aplicaciones – Aleante para aceros
– Fabricación de superaleaciones
– Revestimiento de monedas
– Imanes permanentes y dispositivos electrónicos
Niquel y aleaciones Materiales Metálicos
Niquel y aleaciones Materiales Metálicos
METALES PRECIOSOS
Son materiales puros o
aleaciones formadas a partir del
oro (Au), el paladio (Pd), la plata
(Ag) y el platino (Pt)
Niquel y aleaciones Materiales Metálicos
METALES PRECIOSOS
Niquel y aleaciones Materiales Metálicos
METALES REFRACTARIOS
Se definen como aquellos
metales con una alta resistencia
térmica y al desgaste.
Niobio (Nb)
Molibdeno (Mo)
Tungsteno (w)
Tantalio(Ta)
Renio(Re)
Niquel y aleaciones Materiales Metálicos
METALES REFRACTARIOS