Unidad 1 Introduccion Manufactura

Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez. Pág. 1

Departamento de Ingeniería Mecánica Dr’RCGG

Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez.

Ingeniería Mecánica.

Procesos de Manufactura.

Capítulo 1 Introducción a los Procesos de Manufactura 1.1 Departamentos involucrados en los procesos de manufactura. 1.2 Evolución en la manufactura. 1.3 Economía en la manufactura 1.4 Planeación del producto. 1.5 Planeación de la Producción. Capítulo 2.- Procesos de Fundición. 2.1 Procedimientos de moldeo. 2.2 Modelos. 2.3 Arenas. 2.4 Corazones. 2.5 Equipo mecánico de moldeo. Capítulo 3 Procesos especiales de fundición. 3.1 Fundición en moldes metálicos. 3.2 Fundición centrífuga. 3.3 Fundición de precisión o por revestimiento. 3.4 Fundición de colado continuo. Capítulo 4.- Teoría de Corte de Metales. 4.1 Corte de metales. 4.2 Herramienta cortante para metal. 4.3 Maquinabilidad y acabado superficial. 4.4 Velocidad del corte y avances. 4.5 Máquinas para tornear. 4.6 Máquinas para taladrar y mandrinar. 4.7 Máquinas fresadoras y cortadora. 4.8 Cepillo de codo y mesa. 4.9 Aserrado de metáles y máquinas escariadoras. 4.10 Rectificación y máquinado con abrasivos. Capítulo 5.- Procesos de conformado de metales. 5.1 Conformado de metales en caliente. 5.2 Conformado de metales en frío. 5.3 Métodos de trabajo en caliente, clasificación y descripción. 5.4 Métodos de trabajo en frío clasificación y descripción. 5.5 Generalidades de Laminación. 5.6 Generalidades de Forja. 5.7 Generalidades de Extrusión. 5.8 Generalidades de Estirado.



Capítulo 6.- Metalurgia de polvos metálicos.- 6.1 Características importantes de los polvos. 6.2 Producción y preparación de polvos. 6.3 Conformación de polvos. 6.4 Operaciones de acabado. 6.5 Productos de metálicos. Capítulo 7 Procesos especiales. 7.1 Métodos de corte de metal no convencionales. 7.2 Métodos de recubrimiento metálico. 7.2.1 Recubrimiento metálico por aspersión. 7.2.2 Recubrimiento metálico por inmersión. 7.2.3 Recubrimiento metálico electrolítico. 7.3 Otros recubrimientos para acabado. Capítulo 8.- Automatización y control numérico. 8.1 Automatización. 8.2 Sistemas sincrónico y asincrónico. 8.3 Sistemas de manufactura flexible 8.4 Robótica. 8.5.4 PLC`s. 8.6 Control numérico. 8.7 Programación para control numérico.

©M. en C. Roberto Carlos García Gómez Sugerencias de Prácticas. 1.- Elaboración de una pieza por procesos de fundición en moldes de arena verde (o alguna variante). 2.- Elaboración de una pieza maquinada usando torno y/o fresa, taladro. 3.- Elaboración de una pieza maquinada usando CN. 4.- Visitas industriales para ver los demás procesos.

Bibliografía

1.- B.H. Amstead, Phillipf Ostwald, Nyron L. Begeman, “ Procesos de Manufactura”, CECSA 2.- Lawrence E. Doyle, Carl A. Reyser, James L. Leach, George F. Schrader, Morse B. Singer, “ Materiales y Procesos de Manufactura para Ingenieros “, Prentice Hall 3.- R.L: Timings, “Tecnología de la Fabricación “, Tomo 1 y 2, “Representación y Servicios de Ingeniería, S.A. de México “



4.- Leo Alting, “Procesos para Ingeniería de Manufactura”, Alfaomega 5.- Lawrence H. Van Vlack, “ Tecnología de Materiales”, Alfaomega 6.- John E. Neely, Richard K. Kibbe, “ Materiales y Procesos de Manufactura “, LIMUSA 7. Sydney H. Auner, “Introducción a la Metalurgia Física “, Mc Graw hill 8.- Kalpakjian Schmid, “Manufacturing Engineering and Technology”; cuarta edición, Prentice Hall. 9.- H.C.Kazanas, Glenn E.Bakker, Thomas G.Gregor. “ Procesos básicos de manufactura”, Mc Graw Hill.



Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez.

Ingeniería Mecánica.

Procesos de Manufactura.

M. en C. Roberto Carlos García Gómez

Introducción Los procesos de manufactura desempeñan un papel muy importante, dentro del campo de la producción de cualquier tipo de piezas; son la base principal obtenida de un grupo de conocimientos de diferentes ramas, contempla la fabricación de productos desde tiempos primitivos, hasta las más actuales. Con el paso del tiempo SE HAN DESARROLLADO TÉCNICAS DE FABRICACIÓN más sofisticadas, que facilitan u simplifican las operaciones de fabricación como es en el caso de una planta completamente automatizada. Claro está que esto trae consigo ventajas y desventajas; cuyo fin es mejorar el nivel político, social, cultural y económico de un país.

Si observamos a nuestro alrededor, vemos que todos los productos sin excepción alguna requieren de un proceso de fabricación para cambiar sus geometrías, propiedades para darle estética y mejores acabados de tal manera que desempeñen adecuadamente la funcionalidad para el cual fueron diseñadas.



Objetivo del curso: Se proporcionarán las bases de estudios técnicos futuros conociendo las formas en las cuales los materiales pueden procesarse para proyectar o manufacturar con desarrollo y creatividad. Procesos de manufactura: Es la transformación de la materia prima en productos, por procesos industriales. Requerimientos Ejemplos * Tiempo Mat. Prim. Caja Negra Producto - Autos. * Energía - Zapatos. * Dinero Empresa - Alimentos. * Recursos mat. - Sillas. * Mano de obra - Muebles. - Ropa. Departamentos involucrados en los procesos de manufactura:

- Departamento de compras. - Departamento de almacén. - Departamento de producción. - Departamento de mantenimiento. - Departamento de ingeniería del producto. - Departamento de ingeniería de diseño. - Departamento de contabilidad. - Departamento de ventas. - Departamento de personal. - Gerencia general. - Control de calidad. - Laboratorio de pruebas.

Evolución de los procesos de manufactura.

o Mano de obra. o Fuerza de los animales, agua, vapor, aire y algunos otros. o Revolución industrial XVIII- Máquinas, energía eléctrica.

El punto de partida de los procesos de manufactura moderna se acredita a Eli Whitney con sus implementaciones en 1880 de: 1.- La máquina despepitadora de algodón. 2.- Principios de fabricación intercambiables. 3.- Trabajos de labrado sobre metales. 4.- Además de otros. El origen de la experimentación y el análisis de los procesos de manufactura se acreditan a Freud A. Taylor con sus aportaciones en labrado de metales.



Los avances en las técnicas de fabricación en los 70’s y 80’s, se dieron por Myron L. Begeman. Revolución industrial siglo XX con las computadoras.

- Máquinas de control numérico. - Automatización. - Robots. - Manipuladores. - Transportadores. - Computadoras.

La tecnología de manufactura cambia a cada día. Nuevos métodos de producción y aplicación de nuevos materiales aparecen diariamente. Uno de los objetivos que tienen los procesos de manufactura es simplificar las actividades de un trabajador y desplazarlo si es posible además el mismo objetivo tienen el producto elaborado. * El técnico de fabricación de hoy y mañana debe conocer bien la aplicación de los materiales en los procesos estándares, entonces debe de actualizarse continuamente. * La fabricación en el futuro se volverá cada vez más especializada haciéndose más difícil para el técnico mantenerse informado de esta rápida variación y expansión tecnológica. * Ahora el objetivo de la manufactura es presentar un panorama de la ciencia de los materiales, examinar los procesos de manufactura tanto tradicionales como de alta tecnología y considerar los sistemas de manufactura en la era de la alta tecnología por computadora. Economía en la manufactura. Costos: La manufactura tiene como objetivo obtener artículos para satisfacer las necesidades al menor costo, aquí se busca el costo más bajo con calidad aceptable. En el costo de un producto es contemplan:

- Costo de materia prima. - Costo de mano de obra. - Costo de maquinaría. - Costo de almacenamiento. - Y otros gastos generales.

Los tres fundamentales criterios que determinan una producción económica rentable son: 1.- Un proyecto funcional lo más simple y de una calidad estética apropiada.

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2.- La selección de un material que represente la mayor concomitancia entre las propiedades físicas, su aspecto exterior, costo y facilidad de fabricación para trabajarlo. 3.- La selección de los procesos de manufactura para fabricar el producto, debe ser de tal suerte que con ella se obtenga la exactitud y rugosidad necesaria y a un costo lo más bajo posible. * Los fabricantes que no son competentes en un país industrializado se trasladan a los países subdesarrollados iniciando el proceso una vez más. * Uno de los problemas más grandes en México es que le afecta la alta calidad de mercancías fabricadas en el extranjero e importadas en el país, por lo común a más bajo precio, es por eso que la economía se pierde y la industria de la manufactura no siempre ha contando con mantenerse en las tendencias modernas de automatización, control de calidad y rendimiento del trabajador. “ Los métodos eficientes de manufactura no acontecen por si solos, se planean cuidadosamente ”. Planeación del producto: La primera etapa en la preparación para la manufactura es el desarrollo y diseño de un producto vendible, un análisis de su potencial de ventas. Los ingenieros que diseñan el producto deben seleccionar los materiales apropiados, asegurarse de las proporciones y las propiedades físicas necesarias y diseñar las partes para un comportamiento eficiente. Los problemas son: a).- El ingeniero tiene que diseñar el producto para que sea durable. b).- El ingeniero tiene que diseñar el producto para que sea competente, económico, atractivo y útil. Planeación de la producción. Cuando la dirección de una empresa decide con base en encuestas de mercado y estimaciones de costo de un producto, tal como el que se ha diseñado; puede fabricarse con utilidad; se asigna el dinero y se hace el presupuesto del proyecto. El primer paso para la elaboración del producto es delinear los procesos en papel. La práctica común es listar los pasos u operaciones para cada proceso en una hoja de ruta o proceso; la cual por lo común específica también las maquinas, equipo o herramientas necesarias y el rendimiento esperado. Las ordenes de compra y diseño pueden entrar en el procedimiento de planeación. Donde también se especifica la calidad.

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Se emiten las ordenes de compra de maquinaría y equipo necesario, se contrata el personal adecuado; se hace una distribución de planta y equipo físico; se instala tan pronto como sea posible y cuando todo esta listo, se reúnen para llevar a cabo los procesos. El ingeniero que planea esto debe estar muy familiarizado con los principios de procesos de manufactura. La influencia de la computadora en la manufactura: * El trabajador de producción da paso al robot computarizado de mañana y debe mirar siempre hacia el futuro en cuanto a su habilidad para el trabajo. * La computadora con su gran capacidad en la aplicación del control de procesos ya está desplazando a las personas en los procesos de manufactura. * El trabajador del futuro deberá volverse más técnico electromecánico y dejar de ser un simple operador de la máquina. * El técnico tendrá que perfeccionar sus habilidades para adquirir un conocimiento más completo de los sistemas eléctrico, electrónico, hidráulico, mecanismos traslacionales, disposiciones mecánicas y en general sistemas de computación y programas de computadora. * El ingeniero proyectista deberá estar informado a fondo de los métodos de manufactura modernos y sus responsabilidades, además junto con la computadora integrará nuevas ideas de diseño con material y nuevos procesos a medida de que surgen. * Es seguro que la fabricación de un producto se hará a un nivel cada vez más automatizado de alta tecnología y automatización. Algunos componentes que auxilian a un proceso automatizado son: Transportadores. Sensores(analógicos y digitales). Máquinas de control numérico. Aparatos de medición. Manipuladores. Programas de computadora. Circuitos hidráulicos y neumáticos. Tableros de control. Ventajas y desventajas que puede presentar un proceso automatizado: Ventajas. Desventajas. - Menos riesgos de vida. - Proceso costoso. - Producción más rápida. - Se requiere mantenimiento especial. - Mayor calidad en los productos. - Mayor consumo de energía. - No estar arreando gente. - Refacciones muy costosas. - Anulación de incapacidades. - Instalación compleja. - Anulación de cambios de turno.

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- Etc... ¿ En verdad es rentable y conveniente automatizar una planta? Algunas actividades que puede hacer un robot dentro de la industria: - Soldar. - Pintar. - - Ensamblar. - Empacar. - Cargar y descargar. - Vaciar metal. La tecnología de la manufactura avanza continuamente; esto se ha dado en el surtimiento de nuevos materiales y equipos apoyados por computadora. Algunos avances tecnológicos serían: * Concreto polimérico. * Fibra óptica. * Plásticos más resistentes. * Fibra de vidrio. * Equipo extensiometría. * Lacas frágiles. * Códigos de barras. * Equipo de fotoelacticidad. * Materiales inteligentes. * Supercomputadoras. * Bancos de pruebas dinámicas. La computadora desempeña un papel muy importante en el diseño inicial del producto y en la evaluación.

- Sistemas integrados de diseño por computadora(CAD). - Manufactura integrada por computadora(CAM). - Control numérico computarizado(CNC).



Propiedades de los materiales

Algunos de los aspectos importantes en la materia prima serían el costo, disponibilidad, resistencia alta, baja rigidez o flexibilidad.

El objetivo fundamental de la química es el estudio de la materia. Cuando tomamos una muestra de materia de la naturaleza, generalmente se trata de una mezcla o una disolución y es excepcional el caso en que la sustancia es pura al 100%. Cuando sometemos las mezclas y disoluciones a métodos de separación adecuados, tales como extracción, filtración, destilación o cristalización, podemos aislar las sustancias puras que las constituyen.

Clasificación de los materiales aceros ( maquinaría, herramienta, inoxidables) ferrosos fundiciones( maleable, blanca y gris etc.) ligeros (Al, Mg) metales no ferrosos pesados(Cu, Mn, Ni, Cr, Sn, W, Pb, Nb, Zn, Hg, V, Bi, Au, Ir, Pt, Ag, Rd, Os, Pl, Re) metales duros compuestos metales sinterizados (conglomerados) naturales (madera, cuero, etc.) no metales sintéticos (vidrio, plásticos, etc.) Materiales auxiliares: Combustibles, carburantes, refrigerantes, abrasivos endurecidos.

ELEMENTO SÍMBOLO ELEMENTO SÍMBOLO

ALUMINIO Al HIERRO Fe

ANTIMONIO Sb IRIDIO Ir

ARSÉNICO As LÍTIO Li

AZUFRE S MAGNESIO Mg

BARIO Ba MANGANESO Mn

BERILIO Be MERCURIO Hg



ELEMENTO SÍMBOLO ELEMENTO SÍMBOLO

BISMUTO BI NÍQUEL Ni

BORO B NITRÓGENO N

BROMO Br ORO Au

CADMIO Cd OXIGENO O

CALCIO Ca PLATA Ag

CARBONO C PLATINO Pt

CÉSIO Cs PLOMO Pb

CLORO Cl POTASIO K

COBALTO Co RADIO Ra

COBRE Cu RUBIDIO Rb

CROMO Cr SILICIO Si

ESTAÑO Sn SODIO Na

ESTRONCIO Sr TITANIO Ti

FLUOR F URANIO U

FÓSFORO P YODO I

HIDRÓGENO H ZINC Zn

Para la fabricación de un producto es tarea del ingeniero decidir sobre el material más idóneo, pues todos los materiales La materia prima para fabricar cualquier parte de máquina tiene la diversidad de propiedades que aún considerando el costo, casi siempre es difícil decidir sobre el material más idóneo para un trabajo determinado. Propiedades de los materiales

Físicas: Dimensión, densidad, forma, porosidad, microestructura, macroestructura. Mecánicas: Resistencia, ductilidad, dureza, maleabilidad, rigidez, tenacidad, plasticidad, elasticidad, resiliencia. Térmicas: Expansión, conductividad térmica, etc. Electromagnética: Conductividad, permeabilidad magnética, etc. Acústicas: Reflexión del sonido Ópticas: Color, transmisión de la luz Químicas: Acidez, alcalinidad, resistencia a la corrosión, etc. Físico-Químicas: Acción hidroabsorvente, etc. Tecnológica: Solubles, fundibles, forjables, maquinables, etc.

Procedencia de los materiales Algunos materiales usados en los procesos de manufactura son de origen animal o vegetal pero la mayoría se encuentran en la corteza de terrestre. Los materiales metálicos



o no metálicos, orgánicos e inorgánicos se encuentran rara vez en el estado en el cual se usan. El mineral que no puede usarse por la gran cantidad de elementos y partículas en él, deben ser extraídos del material extraño, reducirlo y obtenerlo aleado con otros materiales y procesarlo a las propiedades deseadas.

LA MEZCLA: es un sistema formado por dos o más componentes en cualquier proporción. Que pueden separarse por medios físicos. Es un material heterogéneo a la subdivisión, es decir, que si cogemos una parte, encontraremos porciones con distintas propiedades (olor, sabor, color, etc.)

Ejemplo: El granito. Es una mezcla formada por tres sustancias, el cuarzo, feldespato y mica.

LA DISOLUCIÓN: es una mezcla en la cual los componentes se distribuyen homogéneamente en toda la extensión del sistema. Es un material homogéneo a la subdivisión, es decir, si cogemos porciones, cada una tiene las mismas propiedades. Si les sometemos al material a un cambio de estado se manifiesta el carácter homogéneo, es decir una disolución es heterogénea al cambio de estado.

Ejemplo: el agua de mar. Si la destilamos encontraremos agua y diversas sales. Elemento: indivisible.

Compuesto: divisible mediante métodos físicos.

Los químicos representan los elementos mediante símbolos y los compuestos por medio de fórmulas.

Estructura y cristalización de los metales. Se considera que toda la materia está compuesta de sustancias unitarias conocidas como elementos químicos, que son las unidades más pequeñas que pueden distinguirse con base en su actividad química y propiedades físicas. Todos los elementos están constituidos por pequeñas partículas llamadas átomos. La estructura atómica consiste de : a) Electrones = Carga negativa = 9.11 X 10-28 grs. b) Protones = Carga positiva = 1.673 X 10-24grs. c) Neutrones = Carga neutra = 1.675 X 10-24grs. El núcleo tiene un diámetro de 10-12cms. El diámetro atómico es de 10-8cms.



átomo: Consta de un diminuto núcleo de carga positiva, formado por protones y neutrones y rodeado por un número suficiente de electrones que mantienen el átomo como un todo eléctricamente neutro. Como el protón y el electrón tienen cargas iguales, pero son eléctricamente opuestos, el átomo debe contener un número de electrones y protones. Isótopo: Son los átomos de peso atómico variable, esto sucede cuando el núcleo de un elemento tiene mayor o menor cantidad del número normal de neutrones. Como el número de electrones y protones no ha cambiado, el número atómico es el mismo, pero el peso atómico será diferente. Enlaces atómicos: Es característico del estado sólido que todos los sólidos verdaderos exhiban una estructura cristalina que significa un arreglo geométrico definido de átomos o moléculas. ¿ Qué mantienen juntos a los átomos o moléculas de un sólido? 1. - Enlace iónico 2. - Enlace covalente u homopolar 3. - Enlace metálico 4. - Fuerzas de Van der Wahls Enlace iónico: (Es la fuerza de atracción electrostática que une a los iones con cargas opuestas para formar un agregado) Un elemento como el sodio con un electrón en exceso lo perderá fácilmente de modo que tenga llena la capa externa. Entonces tendrá más protones que electrones y se convertirá en un ion positivo +1. Un átomo de cloro que tiene 7 electrones en su capa exterior, captaría un electrón, cuando lo haga tendrá más electrones que protones y se convertirá en ion negativo con una carga de -1. Cuando el Na y el Cl se juntan hay transferencia de electrones, resultando una fuerte atracción electrostática entre los iones de sodio positivo y los iones de cloro negativo NaCl. Enlace covalente: (Es la fuerza de atracción de dos átomos debida a la interacción de electrones) Este enlace se presenta cuando los átomos de algunos elementos alcanzan una estructura electrónica estable al compartir uno o más electrones con átomos adyacentes. Por ejemplo el Nitrógeno tiene 5 en la capa exterior y le faltan 3 para completar la última capa. El hidrógeno comparte con el nitrógeno. No se forman iones, sino que el fuerte enlace se debe a la atracción que efectuarán los núcleos positivos sobre los electrones compartidos. Los 3 átomos de hidrógeno están unidos al átomo de nitrógeno por 3 pares de electrones proporcionando cada átomo un electrón de cada par. Enlace metálico:( Los átomos de metal contribuyen con sus electrones de valencia a formar una “nube” electrónica negativa. Estos electrones no están asociados con un ion particular, sino que se mueven libremente entre los iones metálicos positivos en niveles de energía definidos. Los iones metálicos se mantienen juntos en niveles de energía definidos. Los iones metálicos se mantienen juntos en virtud de su atracción mutua para la nube electrónica negativa.



Fuerzas de Van der Wals: Este tipo de enlace se presenta en átomos neutros como los gases inertes. Cuando los átomos se acercan hay una separación de los centros de cargas positivas y negativas y resulta una débil fuerza de atracción. Es de importancia sola a bajas temperaturas cuando la débil fuerza de atracción puede vencer la agitación térmica de los átomos. Estructura cristalina Como los átomos tienden a adoptar posiciones relativamente fijas, esto da lugar a la formación de cristales en estado sólido. Los átomos oscilan alrededor de puntos fijos y están en equilibrio dinámico más que fijos estáticamente.

Red espacial: Es la red tridimensional de líneas imaginarias que conecta a los átomos. Celda unitaria: Es la unidad más pequeña que tiene la simetría total. Son las orillas de los bordes en la celda unitaria a b c y los ángulos a b g. Existen 14 redes espaciales posibles y pueden clasificarse en 7 sistemas cristalinos: 1. - Triclínico. 2. - Monoclínico. 3. - Ortorrómbico. 4.- Romboedral (trigonal) 5. - Hexagonal. 6. - Tetragonal. 7. - Cúbico.



Los metales importantes se cristalizan en sistemas cúbicos o en los hexagonales y sólo 3 tipos de redes se encuentran comúnmente: b. c. c. cúbica centrada en el cuerpo. Si los átomos se representan como esferas, el átomo del centro toca a cada átomo de las esquinas; pero no se tocan entre sí. Como cada átomo de las esquinas le comparten 8 cubos adyacentes y el átomo del centro no puede compartirlo ningún otro cubo. La celda unitaria de la estructura b.c.c. contiene: 8 átomos en las esquinas X 1/8 = 1 átomo 1 átomo central = 1 átomo Total = 2 átomos Ejemplos de metales que presentan esté tipo de estructura son: Cr, W, Fe, Mo, Va, Na.

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Planos Cristalinos.

f.c.c. cúbica centrada en las caras. Además de haber un átomo en cada esquina del cubo, hay uno en el centro de cada cara, pero ninguno en el centro del cubo. Cada átomo de las caras toca los átomos de las esquinas más próximas. Como cada átomo de las esquinas lo comparten 8 cubos adyacentes y cada átomo de las caras es compartido sólo por un cubo adyacente, la celda unitaria tiene: 8 átomos en las esquinas X 1/8 = 1 átomo 6 átomos en las caras X ½ = 3 átomos Total = 4 átomos Ejemplos de metales que presentan esté tipo de estructura son: Al, Ni, Cu, Au, Ag, Pb, Pt, Fe. Hexagonal compacta. La figura usual de la red hexagonal compacta muestra 2 planos básales en forma de hexágonos regulares, con un átomo tanto en cada esquina del hexágono como en el centro. Además hay 3 átomos en forma de triángulo a la mitad de la distancia entre los dos planos básales. Como cada átomo en la celda unitaria lo

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comparten 8 celdas adjuntas y un átomo dentro de la celda no puede compartirse, la celda unitaria contiene 2 átomos. Ejemplos de metales que presentan esté tipo de estructura son: Mg, Be, Zn, Cd, Hf.

Diferentes metales con estructura BCC a temperatura ambiente (20 °C) y sus constantes reticulares y radios atómicos

Metal Constante reticular (a), nm

Radio atómico (R), nm

Cr Fe Mo K Na Ta W V

0.289 0.287 0.315 0.533 0.429 0.330 0.316 0.304

0.125 0.124 0.136 0.231 0.185 0.143 0.137 0.132

Ejemplo. El Fe a 20 °C presenta estructura BCC con átomos cuyo radio atómico es de 0.124 nm. Calcular la constante de red a .

a = 4 R/3 = 4 * 0.124 nm/3 = 0.2864 nm Factor de empaquetamiento atómico (FEA). Se calcula por medio de la siguiente ecuación: FEA = volumen de átomos en la celda BCC/ volumen de la celda unitaria BCC El cristal BCC no es una estructura completamente compacta, puesto que los átomos se podrían situar más juntos. Si se colocan los átomos sobre los huecos a del plano B (figura d), entonces se designa este plano como C, ya que los átomos no descansan sobre el plano A ni B. Se forma una secuencia de planos ABCABCABC, lo que conlleva a una estructura FCC.



Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo. Esta estructura (BCC) no es compacta, por lo que no tiene planos {111} y {0001} como los de las estructuras FCC y HCP respectivamente. Los más densos de esta estructura son los de la familia {110} de los cuales el plano (110) se muestra en la figura. Sin embargo, las direcciones de los átomos a lo largo de las diagonales del cubo son compactas <111>. Densidad volumétrica, planar y lineal en celdas unitarias.

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Densidad volumétrica del metal = v = (masa de la celda unitaria / volumen de la celda unitaria)

PPoolliimmoorrffiissmmoo oo aalloottrrooppííaa Muchos elementos y compuestos existen en más de 1 forma cristalina bajo diferentes condiciones de presión y temperatura, a lo cual se le denomina polimorfismo o alotropía. El Fe existe tanto en BCC como en FCC en un rango de temperatura desde la ambiente

hasta la de fusión. El Fe- existe desde -273 hasta 912 °C y es BCC. El Fe- existe

desde 912 hasta 1394 °C y es FCC. El Fe- existe desde 1394 hasta 1539 °C, siendo

BCC al igual que el Fe-, pero con una constante de red mayor. Esta alotropía proporciona la base para los tratamientos térmicos del Fe y el Ti.

Materiales alotrópicos. Cúbica centrada en el cuerpo (BCC): Fe, Ti, W, Mo, Nb, Ta, K, Na, V, Cr, Zr Cúbica centrada en la cara (FCC): Fe, Cu, Al, Au, Ag, Pb, Ni, Pt Hexagonal compacta (HCP): Ti, Mg, Zn, Be, Co, Zr, Cd En muchos materiales cerámicos, como el SiO2, también ocurren transformaciones

alotrópicas al calentarse o enfriarse. Estas transformaciones por lo general van acompañadas de cambios volumétricos, los cuales deben ser controlados adecuadamente para evitar que el material se agriete.



Ejemplo. Calcular el cambio teórico de volumen que acompaña a una transformación polimórfica en un metal puro desde la estructura cristalina FCC a la BCC. Considerar el modelo atómico de esferas compactas y que no hay cambio en el volumen antes y después de la transformación. En la celda unitaria del cristal de estructura FCC, los átomos están en contacto a lo largo de la diagonal de la cara de la celda. De aquí,

2 a = 4 R o a = 4 R / 2 En la celda unitaria del cristal de estructura BCC, los átomos están en contacto a lo largo de la diagonal principal de la celda. De aquí

3 a = 4 R o a = 4 R / 3 El volumen por átomo para la red FCC que tiene 4 átomos por celda unitaria es

VFCC = a3 / 4 = (4 R / 2 )3 (1/4) = 5.66 R3

El volumen por átomo para la red BCC que tiene 2 átomos por celda unitaria es

VBCC = a3 / 2 = (4 R / 3 )3 (1/2) = 6.16 R3

El cambio de volumen asociado a la transformación desde la estructura cristalina FCC a la BCC, considerando que no hay cambios en los radios atómicos, es

DV / VFCC = [(VBCC - VFCC) / VFCC] 100 % = [(6.16 R3 - 5.66 R3) / 5.66 R3] 100 % =

8.83 %



Ejemplo. Calcular el cambio volumétrico del Fe cuando se transforma de CC a FCC por medio del calentamiento. Parámetro de la red del Fe CC = 2.863 Å FCC = 3.591 Å

Volumen de la celda CC = a3 = (2.863)3 = 23.467 Å

Volumen de la celda FCC = a3 = (3.591)3 = 46.307 Å La celda unitaria FCC tiene 4 átomos y la CC sólo 2, por lo que para equiparar la cantidad de átomos: 2 (23.467 ) = 46.934 Å El cambio de volumen es DV = [(46.307 - 46.934) / 46.934] * 100 % = -1.34 %

Esto demuestra que cuando el Fe se calienta, disminuye su volumen, es decir, se contrae.



Estado de la materia Los tres estados de la materia se pueden distinguir como: - Gaseoso. - Líquido. - Sólido. Gaseoso: En el estado gaseoso los átomos del metal ocupan gran parte del espacio debido a su rápido movimiento. Dicho movimiento es enteramente al azar y conforme viajan chocan entre sí contra las paredes del recipiente que lo contiene. Líquido: En el estado líquido cuando la temperatura disminuye, la energía cinética disminuye de tal manera que las fuerzas de atracción aumentan enormemente, de tal manera que los átomos se juntan formando un líquido. Sólido: En el estado sólido conforme la temperatura disminuye, los movimientos son cada vez menos y las fuerzas de atracción juntan a los átomos hasta que el líquido solidifica. Mecanismos de cristalización: La cristalización es a transición del estado líquido al sólido y ocurre en 2 etapas: 1. - Formación de núcleos. 2. - Crecimiento del cristal. Los átomos tienen tanto energía cinética como energía potencial, la energía cinética está relacionada con la velocidad con que se mueven los átomos. La energía potencial está relacionada con la distancia entre los átomos. Cuando la temperatura de un metal líquido disminuye, aparecen agregados o núcleos estables en diversos puntos del líquido. Estos núcleos que se han solidificado actúan como centros de cristalización ulterior. Cuando continua el enfriamiento más átomos tienden a congelarse y unirse aquellos existentes o formar por sí mismos sus núcleos. Cada núcleo crece al atraer átomos del líquido e incluirlos en su red espacial formando cristales. El crecimiento del cristal continúa creciendo en 3 dimensiones, generando una estructura característica con apariencia de árbol (dendrítico). Los cristales encontrados en todos los metales comerciales comúnmente se llaman granos. El área a lo largo de la cual están unidos se les llama frontera de grano y es una región de unión.



Imperfecciones en el cristal ( Nivel microscópico) Es imposible que los átomos estén depositados exactamente en el orden correcto para que el cristal sea perfecto. Las imperfecciones cristalinas más comunes son: -Vacancias. -Intersticiales. -Dislocaciones.

Las vacancias: Son simplemente sitios atómicos vacíos. Los intersticiales: Son átomos intermedios que tienden a empujar a mayor distancia a los átomos vecinos y producen distorsión de los planos reticulares. Esto se produce en el proceso de solidificación y al incrementar la temperatura o por irradiación con partículas nucleares. La dislocación: Es una región distorsionada situada entre dos partes substancialmente perfectas de un cristal, y se pueden presentar dos formas: -Dislocación de borde: consta de un medio plano de átomos extra en el cristal -Dislocación de tornillo: debido a la superficie espiral formada por los planos atómicos a lo largo

de la línea de dislocación del tornillo.

Macrodefectos en piezas coladas: Macrodefectos: Son los defectos que puedan surgir de la solidificación suficientemente grandes para ser detectados a simple vista, entre estos tenemos: La cavidad: que se origina por contracción o encogimiento en la sección medida. La porosidad: Que se presenta cuando los gases quedan atrapados en la fundición. Fisuras por calor: Que son grietas causadas por las intensas deformaciones de contracción que se crean en las piezas colada sólida precisamente después de la solidificación. Tamaño de grano: El tamaño de los granos en una pieza está determinado por la relación entre la rapidez de crecimiento G y la rapidez de nucleación N. Si el número de núcleos formados es alto producirá un material de grano fino, si lo forman pocos núcleos se producirá un material de grano grueso. La rapidez de enfriamiento es el factor que determina la nucleación y por tanto el tamaño de grano.



Características del grano fino y el grano grueso: Grano fino Grano grueso frágil dúctil mayor dureza menor dureza mejor tenacidad menor tenacidad Mayor resistencia al impacto menor resistencia al impacto.



Tipos de pruebas realizadas a los materiales Tensión Compresión Torsión Estáticas Corte Dureza (Rockwell, Vickers y Brinell) Combinada Destructivas Tensión Dinámicas De impacto Izod, Charpy Flexión rotante (fatiga) R.R.Moore Banco de pruebas dinámicas Radiografía de metales Inspección por partículas magnéticas ( Magnaflux) No destructivas Inspección por penetración fluorescente (Zyglo)

Inspección ultrasónica Inspección de corrientes eléctricas parásitas Equipo experimental: Máquina universal de tensión compresión, máquina de torsión, máquina R.R. Moore, de flexión rotante, durómetro, máquina de impacto, equipo fotoelástico, galgas extensométricas, lacas frágiles, banco de pruebas dinámicas. Pruebas no destructivas: Es el examen de un objeto efectuado en cualquier forma que no impida su utilidad futura.

Radiografía de metales Inspección por partículas magnéticas (Magnaflux) Inspección por penetración fluorescente Inspección ultrasónica Inspección por corriente eléctricas parásitas

Radiografía de metales: Esto se realiza mediante rayos X o rayos Gamma que son rayos electromagnéticos de longitud de onda corta capaces de atravesar espesores relativamente grandes.



Inspección por partículas magnéticas (Magnaflux): La pieza se magnetiza y luego se cubre con finas partículas magnéticas, éste se conoce como método residual. La presencia de una discontinuidad se revela por adherencia de un arreglo característico de las partículas sobre la discontinuidad en la superficie de la pieza de trabajo. En el método Magnaflux se vierte una suspensión sobre la pieza de trabajo magnetizada que contiene partículas magnéticas fluorescentes. Inspección por penetración fluorescente: Las piezas que van a probarse se tratan primero con un trazador o colorante, el cual se absorbe por las fisuras, después se limpian o se lavan las piezas y se le adiciona un polvo que atrae el líquido hacia afuera y se pueden observar fácilmente las fisuras. Inspección ultrasónica: Es uno de los métodos más antiguos que utiliza ondas de sonido para localizar defectos. Consiste en hacer pasar ondas de sonido a través de una pieza por medio de un emisor, las cuales son captadas por un receptor, la densidad del sonido debe de ser uniforme de no ser así se supone una imperfección interna o incrustación de impurezas. Inspección por corriente eléctricas parásitas: En éste caso si una fuente de corriente alterna se conecta a una bobina se produce un campo magnético variable. Cuando éste campo se coloca cerca de una muestra a prueba, capaz de conducir una corriente eléctrica, se inducen corrientes parásitas. A su vez estas producen un campo magnético propio. La unidad de detección medirá este nuevo campo magnético y convertirá la señal en un voltaje que puede leerse en un medidor. Examen microscópico: El objetivo de este es determinar el tamaño de grano y los constituyentes que se están observando. Estos son observados mejor cuando se usa una aproximación de 100.

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Unidad 1 Introduccion Manufactura