Fundamentos Básicos de Procesos de Manufactura

7/25/2019 Fundamentos Bsicos de Procesos de Manufactura

1/282

FUNDAMENTOS BSICOS DE PROCESOS DE

MANUFACTURA

Argel J. Porrello P.Ingeniero mecnico, profesor instructor de la escuela de

Mecnica de la facultad de Ingeniera de laUniversidad de CaraboboVenezuela

Elas J. Querales P.Ingeniero mecnico, profesor titular de la escuela de

Mecnica de la facultad de Ingeniera de laUniversidad de CaraboboVenezuela

REVISADO POR

Dr. Lus E. Valls D.Profesor titular de la escuela deMecnica de la facultad de Ingeniera de laUniversidad de CaraboboVenezuela

Ing. Msc. Donato RomanelloProfesor titular de la escuela deMecnica de la facultad de Ingeniera de laUniversidad de CaraboboVenezuela

Ing. Sandra CabelloProfesor agregado de la escuela deMecnica de la facultad de Ingeniera de laUniversidad de CaraboboVenezuela

Ing. Carmelo Torres

Profesor agregado de la escuela deMecnica de la facultad de Ingeniera de laUniversidad de CaraboboVenezuela


2/282

PRIMERA EDICIN 2009

Derechos reservados conforme a la ley Argel J. Porrello Prez y Elas J. Querales P.

Ningn fragmento de este texto podr serreproducido en forma alguna, sin previo

permiso de los autores.

Hecho el Depsito de LeyDepsito legal: lf04120056681271ISBN 980121623 - 9Impreso en Venezuela

Publicaciones de la Facultad de IngenieraUniversidad de CaraboboNaguanagua - Venezuela


3/282

PRLOGO

El objetivo principal de este material bibliogrfico, presentado como mi trabajode ascenso a la categora de profesor asistente, es mostrar a los estudiantes de

Ingeniera Industrial de la Facultad de Ingeniera de la Universidad de Carabobo las

relaciones entre estructura, propiedades y procesamiento de los diversos materiales

que frecuentemente debe seleccionar y utilizar el ingeniero durante su desempeo

profesional.

Se trata de un material de lectura, que le servir de gua al participante del

curso de procesos de manufactura de Ingeniera Industrial de la Universidad deCarabobo, por tal motivo, el texto se adapta al contenido programtico vigente para

dicha asignatura. Cabe destacar, que no se pretende hacer de este material el nico

que usen los participantes durante el curso, sino una base con la informacin mnima

para cubrir el contenido contemplado para el mismo y, al presentarse como material

de gua, se deja, a discrecin del participante, la posibilidad de profundizar ms en

cada aspecto desarrollado, para lo cual se le sugiere una literatura al final de cada

tema.

Con la finalidad de ser usado como texto gua, el material se estructur en

nueve temas, tal como est estructurado el programa de la asignatura Procesos de

Manufactura.

El tema 1 es una introduccin a los procesos de manufactura, en el mismo se

da una visin general de cmo se estructura el curso.

Los temas del 2 al 5 proporcionarn al estudiante herramientas necesariaspara el conocimiento de los materiales usados en ingeniera, sus propiedades fsicas

y qumicas, comportamiento mecnico, tratamientos trmicos, entre otros.

Los temas del 6 al 9 estn orientados al conocimiento de los procesos de

fabricacin ms comunes en Ingeniera, la seleccin de los parmetros adecuados


4/282

de acuerdo al material de trabajo y clculos relacionados con tiempo de produccin y

costos, especficamente para los procesos de fabricacin mediante arranque de

viruta.

Al final de cada captulo se incluyen algunas preguntas de repaso con la

finalidad de que el estudiante haga una autoevaluacin.

Argel Porrello


5/282

i

TABLA DE CONTENIDOS

LISTA DE FIGURAS........................................................................................................... VIII

LISTA DE TABLAS............................................................................................................... XI

TEMA 1. INTRODUCCIN A LOS PROCESOS DE MANUFACTURA....................... 1

Objetivos del tema .................................................................................................................. 1

1. Procesos de manufactura ................................................................................................... 2

1.1. Definicin ......................................................................................................................... 21.2. Importancia ...................................................................................................................... 2

1.3. Actividades involucradas en un Proceso de Manufactura ................................................ 2

1.4. Clasificacin de los Procesos de Manufactura ................................................................. 5

1.4.1. Segn la temperatura de trabajo ............................................................................... 5

1.4.2. Segn el tipo de proceso .......................................................................................... 6

1.5. Materiales utilizados en ingeniera ................................................................................... 6

1.5.1. Clasificacin de los Materiales de ingeniera ............................................................ 8

1.7. Preguntas de repaso ..................................................................................................... 10

TEMA 2: ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES........................ 11

Objetivos del tema ................................................................................................................ 11

2. Estructura y propiedades de los materiales ...................................................................... 12

2.1. Estructura Bsica de los materiales ............................................................................... 12

2.1.1. Tipos de enlaces atmicos y moleculares ............................................................... 12

2.2. Estructuras y geometra cristalina .................................................................................. 15

2.2.1. Sistemas cristalinos y Redes de Bravais ................................................................. 15

2.2.2. Principales estructuras cristalinas metlicas ........................................................... 19

2.2.3. Polimorfismo o alotropa ......................................................................................... 19

2.2.4. Posiciones atmicas dentro de una celdilla unidad cbica ...................................... 20

2.2.5. Direcciones en celdillas unidad cbica .................................................................... 21


6/282

ii

2.2.6. Planos cristalogrficos en una celdilla unidad cbica .............................................. 22

2.2.7. Factor de empaquetamiento, densidad atmica volumtrica, planar y lineal ........... 23

2.2.8. Imperfecciones cristalinas ....................................................................................... 24

2.2.8.1. Imperfecciones puntuales ................................................................................. 24

2.2.8.2. Imperfecciones de lnea (dislocaciones) ........................................................... 25

2.2.8.3. Lmites de grano .............................................................................................. 26

2.2.8.4. Estructuras y defectos macroscpicos en fundiciones industriales ................... 30

2.3. Propiedades de los materiales de ingeniera.................................................................. 35

2.3.1. Propiedades fsicas ................................................................................................. 35

2.3.2. Propiedades qumicas ............................................................................................. 35

2.3.3. Propiedades mecnicas de los materiales .............................................................. 36

2.4. Ensayos de materiales para determinar sus propiedades mecnicas ........................... 36

2.4.1. Ensayo de traccin.................................................................................................. 36

2.4.2. Ensayos de dureza ................................................................................................. 46

2.4.3. Ensayo de resistencia al impacto ........................................................................... 47

2.4.4. Ensayo de fatiga ..................................................................................................... 51

2.5. Fundamentos de Corrosin ............................................................................................ 53

2.5.1. Principales tipos de corrosin ................................................................................. 54

2.5.2. Control de la corrosin ........................................................................................... 55

2.6. Referencias ................................................................................................................... 57

2.7. Preguntas de repaso ...................................................................................................... 58

TEMA 3: ALEACIONES FERROSAS DE USO INGENIERIL...................................... 59

Objetivos del tema ................................................................................................................ 59

3. Aleaciones ........................................................................................................................ 60

3.1. Tipos de soluciones slidas ........................................................................................... 60

3.2. Diagramas de fases ....................................................................................................... 62

3.2.1. Diagrama de fases de una sustancia pura .............................................................. 623.2.2. Reglas de las fases de Gibbs .................................................................................. 63

3.2.3. Diagrama de fases de un sistema binario ............................................................... 64

3.2.3.1. Curvas de enfriamiento .................................................................................... 65

3.2.3.2. Obtencin del diagrama de fases de sistemas binarios .................................... 67

3.2.3.3. Regla de la palanca .......................................................................................... 71


7/282

iii

3.2.3.4. Reacciones invariantes .................................................................................... 73

3.3. Diagrama de fases Carburo de hierrohierro (Fe3CFe) ............................................ 75

3.3.1. Fases slidas en el diagrama de fases FeFe3C .................................................. 76

3.3.2. Reacciones invariantes en el diagrama FeFe3C .................................................. 77

3.4. Principales aleaciones ferrosas ..................................................................................... 783.4.1. Obtencin del hierro y del acero ............................................................................. 79

3.4.2. Tipos de Aceros ...................................................................................................... 85

3.4.2.1. Aceros al carbono ............................................................................................ 86

3.4.2.2. Aceros aleados ................................................................................................ 89

3.4.2.3. Aceros Inoxidables ........................................................................................... 91

3.4.3. Aplicaciones de los Aceros ..................................................................................... 92

3.4.4. Designacin de los aceros ...................................................................................... 93

3.4.5. Fundiciones ............................................................................................................ 943.4.5.1. Fundiciones Blancas ........................................................................................ 95

3.4.5.2. Fundiciones grises ........................................................................................... 98

3.4.5.3. Fundiciones nodulares ..................................................................................... 99

3.4.5.4. Fundiciones maleables .................................................................................. 100

3.4.6. Aplicaciones de las fundiciones en ingeniera ....................................................... 101

3.5. Referencias ................................................................................................................. 101

3.6. Preguntas de repaso ................................................................................................... 101

TEMA 4: METALES Y ALEACIONES NO FERROSAS............................................. 102

Objetivos del tema .............................................................................................................. 102

4. Aleaciones de ingeniera ................................................................................................ 103

4.1. Aluminio y sus aleaciones ........................................................................................... 103

4.1.1. Produccin de aluminio ......................................................................................... 103

4.1.2. Principales aleantes del aluminio .......................................................................... 106

4.1.4. Aleaciones de aluminio forjado sin tratamiento trmico ......................................... 109

4.1.5. Aleaciones de aluminio forjado con tratamiento trmico ....................................... 109

4.1.6. Tratamientos trmicos y mecnicos del aluminio ................................................. 111

4.1.7. Principales usos de las diferentes aleaciones de aluminio .................................... 114

4.2. Cobre y sus aleaciones ............................................................................................... 115

4.2.1. Propiedades mecnicas del cobre ........................................................................ 116

4.2.2. Propiedades qumicas del cobre ........................................................................... 116


8/282

iv

4.2.3. Obtencin del cobre .............................................................................................. 118

4.2.4. Principales aleaciones de cobre ............................................................................ 120

4.2.5. Designacin del cobre y sus aleaciones ................................................................ 122

4.3. Referncias ................................................................................................................... 122

4.4. Preguntas de repaso .................................................................................................... 123

TEMA 5: TRATAMIENTOS TRMICOS DE LOS ACEROS AL CARBONO........... 124


5. Tratamientos trmicos .................................................................................................... 125

5.1. Definicin general ........................................................................................................ 125

5.1.1. Fases de un tratamiento trmico ........................................................................... 125

5.2. Tratamientos Trmicos de los Aceros al carbono ........................................................ 1265.2.1. Recocido ............................................................................................................... 126

5.2.1.1. Recristalizacin .............................................................................................. 128

5.2.2. Normalizado .......................................................................................................... 131

5.2.3. Temple .................................................................................................................. 131

5.1.1. Revenido ......................................................................................................... 134

5.2.3.1. Templabilidad ................................................................................................. 135

5.3. Tratamientos termoqumicos ........................................................................................ 136

5.4. Tratamientos isotrmicos ............................................................................................. 1375.5. Referencias ................................................................................................................. 139


TEMA 6: TEORA DE MECANIZADO DE METALES................................................. 140


6. Mecanizado .................................................................................................................... 141

6.1. Efecto de cua en el corte de metales (Corte Ortogonal ideal) .................................... 141

6.1.1. ngulo de de cizallado .......................................................................................... 142

6.1.2. Fuerzas producidas durante el corte ortogonal ideal ............................................. 144

6.1.3. Corte ortogonal real .............................................................................................. 147

6.2. Variables controlables en un proceso de mecanizado ................................................. 149

6.3. Variables resultantes de un proceso de mecanizado ................................................... 150

6.3.1. Fuerzas y requerimientos de energa .................................................................... 150


9/282

v

6.3.2. Temperatura durante el corte ................................................................................ 155

6.3.3. Vida til de las herramientas ................................................................................. 156

6.4. Referencias ................................................................................................................. 161


TEMA 7. PROCESOS DE MANUFACTURA CON ARRANQUE DE VIRUTA......... 163


7. Procesos de mecanizado ............................................................................................... 164

7.1. Seleccin de parmetros de corte ............................................................................... 164

7.2. Tipos de operaciones de mecanizado ......................................................................... 165

7.3. Materiales para herramientas de corte ........................................................................ 165

7.4. Proceso de torneado ................................................................................................... 167

7.4.1. Funcionamiento del Torno .................................................................................... 167

7.4.2. Geometra de una herramienta de torneado ......................................................... 167

7.4.3. Movimientos de la herramienta en el torno ........................................................... 169

7.4.4. Parmetros de corte referenciales para el proceso de torneado ........................... 169

7.4.5. Operaciones de torneado ..................................................................................... 170

7.4.6. Clculos asociados al proceso de torneado .......................................................... 172

7.5. Proceso de limado y cepillado ..................................................................................... 174

7.5.1. Funcionamiento de la limadora ............................................................................. 175

7.5.2. Movimientos de la herramienta y de la pieza ........................................................ 175

7.5.4. Operaciones de limado ......................................................................................... 176

7.5.5. Clculos asociados al proceso de limado ............................................................. 177

7.6. Taladrado .................................................................................................................... 180

7.6.1. Funcionamiento de las taladradoras ..................................................................... 182

7.6.2. Tipos de taladradoras ........................................................................................... 182

7.6.4. Operaciones de taladrado ..................................................................................... 183

7.6.5. Clculos asociados al proceso de taladrado ......................................................... 186

7.7. Fresado ....................................................................................................................... 188

7.7.1. Herramientas de fresado ...................................................................................... 190

7.7.2. Parmetros de corte en el fresado ........................................................................ 192

7.7.3. Clculos asociados al proceso de fresado ............................................................ 193

7.8. Mecanizado mediante abrasivos ................................................................................. 197

7.8.1. Esmerilado ............................................................................................................ 198


10/282

vi

7.8.1.1. Funcionamiento de las esmeriladoras o rectificadoras ................................... 198

7.8.1.2.Materiales abrasivos ....................................................................................... 201

7.8.1.3. Tamao de grano ........................................................................................... 202

7.8.1.4. Materiales aglutinantes .................................................................................. 202

7.8.1.5. Parmetros de corte referenciales .................................................................. 203

7.8.1.6. Especificacin de las ruedas de esmeril ......................................................... 204

7.9. Economa en el proceso de mecanizado ..................................................................... 205

7.9.1. Velocidades de corte para tiempo y costo de produccin mnimos ...................... 206

7.9.2. Clculo de variables involucradas en los costos y tiempos de produccin ............ 209

7.9.3.Operaciones con velocidad de corte variable......................................................... 210

7.9.4. Ejemplo de clculo para una operacin con velocidad de corte constante ............ 216

7.10. Referencias................................................................................................................ 2187.11. Preguntas de Repaso ................................................................................................ 219

TEMA 8. PROCESOS DE MANUFACTURA SIN ARRANQUE DE VIRUTA........... 220


8. Procesos de fabricacin sin arranque de viruta ............................................................... 221

8.1. Proceso de fundicin ................................................................................................... 221

8.1.1. Flujo del fluido en una fundicin ............................................................................ 221

8.1.2. Fundicin en arena ............................................................................................... 223

8.1.3. Fundicin en molde permanente ........................................................................... 224

8.2. Procesos de fabricacin por deformacin (conformado) .............................................. 225

8.2.1. Laminacin ........................................................................................................... 227

8.2.2. Forjado de metales ............................................................................................... 232

8.2.3. Trefilado de alambres ........................................................................................... 235

8.2.4. Extrusin ............................................................................................................... 239

8.3. Referencias ................................................................................................................. 243


TEMA 9. PROCESOS DE SOLDADURA..................................................................... 244


9. Procesos de unin .......................................................................................................... 245


11/282

vii

9.1. Uniones Desarmables ................................................................................................. 245

9.2. Uniones con Robln .................................................................................................... 245

9.3. La Soldadura ............................................................................................................... 245

9.3.1. Soldadura blanda .................................................................................................. 246

9.3.2. Soldadura fuerte ................................................................................................... 2479.3.3. Soldadura por forja ............................................................................................... 248

9.3.4. Soldadura con gas ................................................................................................ 248

9.3.5. Soldadura por resistencia ..................................................................................... 250

9.3.6. Soldadura por induccin ....................................................................................... 253

9.3.7. Soldadura por arco elctrico ................................................................................. 253

9.3.7.1. Soldadura manual con electrodo revestido .................................................... 253

9.3.7.2. Soldadura con arco metlico y gas ................................................................ 256

9.3.7.3. Soldadura con arco de tunsgteno y gas ......................................................... 2569.3.7.4. Soldadura con arco sumergido ...................................................................... 257

9.3.8. Soldadura por vaciado .......................................................................................... 259

9.3.9. Soldadura por friccin ........................................................................................... 260

9.3.10. Soldadura por explosin ..................................................................................... 260

9.3.11. Soldadura con haz de electrones ........................................................................ 261

9.3.12. Soldadura con rayos lser .................................................................................. 261

9.3.13. Soldadura aluminotrmica .................................................................................. 262

9.4. Smbolos de soldadura ................................................................................................ 2639.5. Referencias ................................................................................................................. 266



12/282

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Interrelacin entre ciencia e ingeniera de los materiales (Mikell, 1997) ................................................................... 7Figura 2.1. Enlace inico entre el cloro y el sodio (Lasheras, 1997) .......................................................................................... 13

Figura 2.2. Enlace covalente entre dos tomos de cloro. (Lasheras, 1997) .............................................................................. 14Figura 2.3 Enlace metlico (Smith, 1998) .................................................................................................................................. 15Figura 2.4. Celdilla unidad. (Lasheras, 1997) ............................................................................................................................. 16Figura 2.5 Celdillas unidad convencionales de Bravais. (Lasheras, 1997) ................................................................................. 17Figura 2.6. Principales estructuras cristalinas. (a) BCC, (b) FCC y (c) HCP. (Smith, 1998 y Kalpakjian 2008) ............................. 19Fiura 2.7. Posiciones de los tomos dentro de una celdilla cbica centrada en el cuerpo. (BCC). ............................................ 21Figura 2.8. ndices de direccin en una celdilla cbica. ............................................................................................................. 21Figura 2.9. ndices de Miller. ..................................................................................................................................................... 22Figura 2.10. Imperfecciones cristalinas puntuales. (Smith, 1998) ............................................................................................. 25Figura 2.11. Dislocacin de cua. (Smith, 1998)........................................................................................................................ 25Figura 2.12. Dislocacin helicoidal. (Smith, 1998) ..................................................................................................................... 26Figura 2.13. Representacin esquemtica de un proceso de solidificacin. ............................................................................. 27Figura 2.14. Crecimiento planar de ncleos .............................................................................................................................. 29Figura 2.15. Crecimiento dendrtico .......................................................................................................................................... 29

Figura 2.16. Solidificacin de un metal puro en molde estacionario ....................................................................................... 30Figura 2.17. Segregaciones y lneas de fluencia en una barra laminada de seccin cuadrada .................................................. 32Figura 2.18. Formacin del rechupe en una mazarota de una pieza fundida ........................................................................... 32Figura 2.19.Defectos comunes defundiciones en arena .......................................................................................................... 34Figura 2.20. Esquema de un ensayo de traccin. (Lasheras, 1997) ........................................................................................... 38Figura 2.21. Curva esfuerzo deformacin unitaria (Lasheras, 1997) ...................................................................................... 39Figura 2.22. Comparacin de la curva de esfuerzo deformacin real e ingenieril para un acero de bajo carbono. ................ 42Figura 2.23. Esquema de un ensayo de impacto Charpy (Probeta 1, entalle de la probeta 2 y martillo 3) ............................... 48Figura 2.24. Efecto de la temperatura sobre la resistencia al impacto ..................................................................................... 53Figura 2.25. Dimensiones de la cabeza del marti llo y la probeta de un ensayo Charpy (Lasheras, 1997) ................................. 49Figura 2.26. Dimensiones de la probeta y el matillo en el ensayo de Izod. (Lasheras, 1997) ................................................... 51Figura 2.27. Esquema de un ensayo de fatiga. .......................................................................................................................... 53Figura 3.1. Solucin slida intersticial. (Lasheras, 1997 ............................................................................................................ 60Figura 3.2 Solucin slida sustitucional. (Lasheras, 1997) ........................................................................................................ 61

Figura 3.3. Diagrama de equilibrio de fases presin temperatura para el agua pura.(Smith 1998) ....................................... 63Figura 3.4. Diagrama de fases en equilibrio aproximado Presin - temperatura del hieero puro ............................................ 64Figura 3.5. Curvas de enfriamiento de: (a) y (b) metales puros de diferentes puntos de fusin, (c) aleacin compuesta de

(a) y (b). ............................................................................................................................................................................... 65Figura 3.6. Trazado de diagrama de fases en equilibrio ............................................................................................................67Figura 3.7. Diagrama de fases con solubilidad total. ................................................................................................................. 68Figura 3.8. Diagrama de fases, A Y B insolubles en estado slido ............................................................................................. 69Figura 3.9. Diagrama binario con solubilidad parcial en estado slido. .................................................................................... 70Figura 3.10 Diagrama binario con compuestos intermedios. .................................................................................................... 70Figura 3.11. Diagrama de fases binario de dos metales A y B completamente solubles en estado slido ............................... 71Figura 3.12 Diagrama de Fases Fe3C Fe. (Smith, 1998)........................................................................................................... 78Figura 3.13. Esquema de funcionamiento de un alto horno. .................................................................................................... 81Figura 3.14. Representacin del proceso bsico de oxgeno. ................................................................................................... 82Figura 3.15. Representacin del Proceso Siemens Martin ........................................................................................................ 83

Figura 3.16. Representacin del proceso de reduccin directa. ............................................................................................... 84Figura 3.17. Enfriamiento lento de un acero eutenctoide. (Smith, 1998) ................................................................................. 87Figura 3.18. Enfriamiento lento de un acero hipoeutectoide (Smith, 1998 .............................................................................. 88Figura 3.19. Enfriamiento lento de un acero hipereutectoide (Smith, 1998) ............................................................................ 89Figura 3.20. Enfriamiento lento de una fundicin blanca eutctica .......................................................................................... 96Figura 3.21. Enfriamiento lento de una fundicin blanca hipoeutctica .................................................................................. 97Figura 3.22. Enfriamiento lento de una fundicin blanca hipereutctica ................................................................................. 98Figura 3.23. Representacin esquemtica de una fundicin gris con matriz ferrtico perltica.............................................. 99Figura 3.24. Representacin esquemtica de una fundicin nodular con matriz ferrtica ...................................................... 100Figura 3.25. Representacin esquemtica de una fundicin maleable con matriz perltica ................................................... 100


13/282

ix

Figura 5.1. Ciclo trmico para la realizacin de un recocido de rege ...................................................................................... 127Figura 5.2. Recocidos subcrtico: (a) contra acritud, (b) globular ............................................................................................ 127Figura 5.3. Efecto de la deformacin y la temperatura de recocido sobre las propiedades mecnicas de los materiales ..... 130Figura 5.4. Normalizado de un acero al carbono..................................................................................................................... 131Figura 5.5. Diagrama TTT para un acero eutectoide (Smith 1998) .......................................................................................... 133Figura 5.6. Ciclo trmico de los tratamientos de temple y revenido....................................................................................... 134Figura 5.7. Representacin esquemtica del ensayo Jominy. (Smith 1998) ............................................................................ 135

Figura 5.8. Curva de templabilidad. ........................................................................................................................................ 136Figura 5.9. Austempering ........................................................................................................................................................ 137Figura 5.10. Ciclo trmico de un Martempering ..................................................................................................................... 138Figura 5.11. Ciclo trmico para el recocido isotrmico. .......................................................................................................... 139Figura 6.1. Geometra de un proceso de corte ortogonal ideal .............................................................................................. 142Figura 6.2. Consideraciones geomtricas para calcular ...................................................................................................... 143Figura 6.3. Fuerzas producidas durante un corte ortogonal ideal .......................................................................................... 145Figura 6.4. Fuerzas medidas mediante el uso de un dinammetro durante un corte. ........................................................... 146Figura 6.5. Fuerzas ejercidas por la pieza de trabajo sobre la viruta durante un corte ortogonal ideal. ................................ 147Figura 6.6. Relacin entre las fuerzas F s, Fe Y las fuerzas Fsy Fh: ............................................................................................. 147Figura 6.7. Proceso de corte ortogonal real. ........................................................................................................................... 148Figura 6.8. Desgastes producidos sobre una herramienta de corte. ....................................................................................... 157Figura 6.9. Vida til de la herramienta para un criterio de vida y diferentes velocidades de corte. ....................................... 160Figura 6.10. Vida de la herramienta para diferentes velocidades de corte. ............................................................................ 160

Figura 7.1. Partes de un torno de Puntas. ............................................................................................................................... 168Figura 7.2. Herramienta de corte de un solo filo cortante. ..................................................................................................... 168Figura 7.3. Movimientos de la herramienta durante un proceso de torneado. ..................................................................... 169Figura 7.4. Operaciones bsicas de torneado (Groover, 1997) ............................................................................................... 172Figura 7.5. Representacin esquemtica de los procesos de limado y cepillado.(Groover, 1997) ......................................... 174Figura 7.6. Partes de una limadora. (Groover, 1997) .............................................................................................................. 175Figura 7.7. Mecanismo de manivela de una limadora. ............................................................................................................ 176Figura 7.8. Operaciones de limado .......................................................................................................................................... 177Figura 7.9. Grfico para ajuste de la velocidad de corte en una limadora ............................................................................. 179Figura 7.10. Recorrido de la herramienta durante un proceso de limado. ............................................................................. 180Figura 7.11. Geometra bsica de la broca para taladrar. (Groover, 1997) ............................................................................. 181Figura 7.12 Partes de una taladradora vertical sensible (Groover, 1997) ............................................................................... 182Figura 7.13. Operaciones de taladrado: Escariado (a), roscado interior (b), abocardado ....................................................... 186Figura 7.14. Tipos de fresado .................................................................................................................................................. 189

Figura 7.15. Fresadora horizontal (Groover, 1998) ................................................................................................................. 189Figura 7.16. Fresadora frontal (Groover, 1998) ....................................................................................................................... 190Figura 7.17. Longitud de recorrido en el fresado tangencial .................................................................................................. 195Figura 7.18. Longitud de recorrido en el fresado frontal con dimetro de la fresa mayor que el ancho de la pieza. ............. 196Figura 7.19. Longitud de recorrido en el fresado frontal con dimetro de la fresa mayor que el ancho de la pieza. ............ 196Figura 7.20. Clasificacin de los procesos abrasivos .............................................................................................................. 197Figura 7.21. Esmerilado tangencial (a y b) y frontal (c y d) ..................................................................................................... 199Figura 7.22. Rectif icadora Cilndrica (Groover, 1997).............................................................................................................. 200Figura 7.23. Rectif icadora Tangencial (Groover, 1997) ........................................................................................................... 201Figura 7.24. Sistema de identificacin para ruedas de esmeril convencionales definido por la norm ANSI B74. 13 1977

(Pereira, 2006) ................................................................................................................................................................... 204Figura 7.25. Costos de produccin para una operacin con velocidad de corte constante (Boothroyd, 1978) .................... 207Figura 7.26. Operacin de refrentado en el torno (Boothroyd, 1978 ..................................................................................... 211Figura 7.27. Desgaste de la herramienta durante el refrentado de varias piezas. .................................................................. 211

Figura 7.28. Operaciones de Fresado. (a) Tangencial, (b) frontaltangencial y (c) frontal...215Figura 8.1. Alimentacin del fluido en un proceso de fundicin. (Shey, 2002) ...................................................................... 222Figura 8.2. Pieza fundida con sistema de alimentacin de fluido. (Shey, 2002) ...................................................................... 223Figura 8.3 Proceso de laminacin, vista lateral (a), vista de planta (b) (Kalpakjian y Schmid, 2008) ..................................... 227Figura 8.4. Fuerzas de friccin en la laminacin plana. (Kalpakjian y Schmid, 2008) .............................................................. 228Figura 8.5. Fuerza de laminacin ............................................................................................................................................. 229Figura 8.6. Fabricacin de un perfil I mediante laminado. (Kalpakjian y Schmid, 2008) ......................................................... 230Figura 8.7. Laminado de anillos. (Shey, 2002) ......................................................................................................................... 230Figura 8.8. Laminacin de roscas ............................................................................................................................................ 231Figura 8.9. Laminado oblicuo. (Kalpakjian y Schmid, 2008) .................................................................................................... 231


14/282

x

Figura 8.10. Forja en matriz abierta. (a) tocho cilndrico slido, (b) deformacin uniforme del tocho sin friccin y (c)abarrilamiento del tocho. (Kalpakjian y Schmid, 2008) ..................................................................................................... 233

Figura 8.11. Forjado en matriz de impresin. ......................................................................................................................... 233Figura 8.12. Forja en matriz cerrada. (Kalpakjian y Schmid, 2008).......................................................................................... 234Figura 8.13. Representacin del proceso de trefilado de alambres ........................................................................................ 235Figura 8.14. Geometra de un dado comn para trefilado de alambres. (Kalpakjian y Schmid, 2008) ............................. 236

Figura 8.15. Inserto de matriz de carburo o diamante en un porta insertos de acero (Kalpakjian y Schmid, 2008) ............... 237Figura 8.16. Extrusin directa e indirecta. ............................................................................................................................... 240Figura 8.17. Constante de extrusin kde diversos metales a diferentes temperaturas. ........................................................ 242Figura 9.1. Equipo para soldadura autgena. (Bagur, 2008) ................................................................................................... 249Figura 9.2. Esquema de funcionamiento de un mquina de soldadura por resistencia. (Bagur, 2008) .................................. 251Figura 9.3. Soldadura por costura. (Bagur, 2008) .................................................................................................................... 251Figura 9.4. Soldadura con resaltes. (Bagur, 2008) ................................................................................................................... 252Figura 9.5. Soldadura a tope. (Bagur, 2008) ............................................................................................................................ 252Figura 9.6. Soldadura TIG (Bagur, 2008) .................................................................................................................................. 257Figura 9.7. Soldadura MIG (Bagur, 2008) ................................................................................................................................ 257Figura 9.8 Soldadura con Arco Sumergido (Pereira, 2006)...................................................................................................... 258Figura 9.9. Representacin de un proceso de soldadura por friccin. (Bagur, 2008) ............................................................. 260Figura 9.10. Proceso de unin explosiva. (Bagur, 2008).260Figura 9.11. Representacin esquemtica de la soldadura aluminotrmica263

Figura 9.10. Smbolo de soldadura. ......................................................................................................................................... 264Figura 9.11. Smbolos bsicos de soldadura. (Bagur, 2008) .................................................................................................... 265


15/282

xi

LISTA DE TABLAS

Tabla 2.1 Clasificacin de los retculos espaciales en sistemas cristalinos. ( Redes dE Bravais ).(Smith,1998)......................... ......... 18

Tabla 2.2. Formas alotrpicas cristalinas de algunos elementos .(Kalpakjian y Schmid ,2008). 20

Tabla 3.1. Tipos de reacciones invariantes que se presentan en diagramas de fases binarios.(Smith,1998).. 75

Tabla 3.2. Principales tipos de aleacin estndar (Smith,1998) 94Tabla 4.1. Principales grupos de aleaciones de aluminio de acuerdo a la AA (Smith, 1998).. 108Tabla 4.2. Principales aleaciones de cobre (Smith 1998).. 122Tabla 6.1. Requerimientos aproximados de Energa especfica para el corte. (Schey, 2000)........... 153Tabla 6.2. Criterio de vida til para diferentes herramientas. (Schey, 2000).. 159Tabla 6.3. Valores aproximados de n Para diferentes materiales de herramienta (Schey 2000) 161Tabla 7.1. Parmetros de corte recomendados en el torneado (Pereira, 2006)........... 170Tabla 7.2. Parmetros de corte recomendados para el limado y el cepillado. (Pereira, 2006) 178Tabla 7.3. ngulo de la punta de la broca para varios materiales (Groover, 1997). 181Tabla 7.4 Velocidades de corte recomendadas para brocas de acero rpido (Pereira, 2006). 184Tabla 7.5 Avance recomendado para brocas de acero rpido (Pereira, 2006). 185Tabla 7.6. Herramientas para fresado (Groover, 1998).. 191Tabla 7.7. Valores recomendados de velocidad de corte (m/min) para fresas (Pereira, 2006)... 192Tabla 7.8 Valores recomendados de avance por diente (carga de viruta, f) para fresado de acero

(Pereira, 2006).. 193Tabla 7.9 Valores recomendados de velocidad de avance (fr) para fresado (Pereira, 2006)............ 193Tabla 7.10. Velocidad perifrica de la muela para esmerilado (m/s) (Pereira, 2006)... 203Tabla 7.11 Profundidades de pasada en Rectificado (mm) (Pereira, 2006).. 205Tabla 8.1. Factor multiplicador k para la ecuacin 8.4. (Kalpakjian y Schmid, 2008) 234Tabla 9.1. Intensidad de corriente aproximada para diferentes dimetros de electrodos. (Bagur, 2008).. 256Tabla 9.2. Rango de deposicin y eficiencia para alambres de soldadura con arco sumergido (Pereira,

2006).. 259Tabla 9.2. Smbolos complementarios usados en soldadura. (Bagur, 2008). 266


16/282


17/282

TEMA 1. INTRODUCCIN A LOS PROCESOS

DE MANUFACTURA

Objetivos del tema

1. Definir los Procesos de Manufactura.2. Explicar la importancia de los Procesos de Manufactura.3. Diferenciar los Procesos de Manufactura de acuerdo a la temperatura y tipo de

trabajo4. Listar los procesos de Manufactura, segn el tipo de proceso.5. Explicar la importancia de la seleccin de materiales en la produccin de

bienes.6. Enumerar los materiales ms utilizados en Procesos de Manufactura.


18/282

2

1. Procesos de manufactura

1.1. Definicin

Son una serie de actividades y operaciones interconectadas que involucra:diseo, seleccin de materiales, planificacin, produccin, aseguramiento de calidad,

administracin y mercadeo de bienes discretos y durables de consumo.

1.2. Importancia

La importancia de los Procesos de Manufactura radica en el hecho de que de

all provienen todos los productos necesarios para la conversin de energa y

materias primas, construccin, transporte, comunicacin, cuidado de salud,

entretenimiento entre otros.

1.3. Actividades involucradas en un Proceso de Manufactura

Desarrollo de especificaciones

Bsicamente esta es la fase de mayor importancia en un Proceso de

Manufactura, las necesidades se decidirn de acuerdo a la funcin, desempeo,

restricciones de tiempo, costo y otros criterios. Un diseo que no cumple lasespecificaciones necesarias para satisfacer una necesidad ser poco atractivo y por

tanto ser un fracaso en el mercado; por el contrario, especificaciones estrictamente

controladas conducirn a un elevado costo de produccin, lo cual har del producto

de poca competitividad. De forma general, se debe optimizar el desempeo del

producto para satisfacer las necesidades del consumidor. Se puede mejorar el

desempeo del producto, con lo cual se pudiera vender a un costo ms elevado sin

que haya un aumento significativo en el costo de produccin, claro est, habr un

lmite ms all del cual no ser rentable mejorar el desempeo del producto.

Diseo conceptual

En esta etapa se elaboran bosquejos con la finalidad de ilustrar de manera

general la forma, tamao y relacin entre sus partes que se consideren deben tener


19/282

3

para cumplir con el objetivo para el cual ser construido. Se puede hacer una

seleccin previa de los materiales a utilizar y tentativamente los procesos de

fabricacin que sern empleados.

Diseo de producto

En esta etapa se toman en cuenta una serie de criterios:

El producto debe ser funcional y visiblemente atractivo, de ello se encargan los

diseadores industriales.

El proceso de ensamble debe ser los ms sencillo posible, con este fin se debe

efectuar un diseo para ensamble (DPE).

Se debe garantizar el funcionamiento adecuado de partes mecnicas y elctricas,para ello se debe hacer un diseo minucioso de las mismas por parte de

especialistas en el ramo.

El producto debe tener un diseo ergonmico.

Se debe disear el producto de manera que requiera poco mantenimiento, esto

quiere decir que si es necesario reemplazar alguno de sus componentes debe

hacerse de la manera ms sencilla posible.

El producto debe ser reciclable y en ltima instancia debe ser posible su desecho

de manera sencilla y ecolgica.

Adems de satisfacer los criterios anteriores, el producto debe ser de manufactura

factible.

Se debe hacer una eleccin del diseo y procesos que conduzcan a menores

variaciones en el proceso de produccin. Con tal fin se hace un diseo para la

calidad (DPQ).

Es importante establecer proyectos de investigacin y desarrollo de producto que

conduzcan a un diseo cada vez ms competitivo.

Hacer o comprar

Una vez realizado el diseo del producto, se preparan dibujos de produccin

del ensamble y de todas las partes que no sean componentes estandarizados y


20/282

4

producidos en masa como tornillos, remaches, clavijas y cojinetes; entonces se

puede decidir cules partes sern producidas internamente y cules sern

compradas a proveedores externos. De manera general es ms barato comprar

mdulos disponibles como productos estndar (motores, embragues, vlvulas,

cilindros, entre otros.)

Diseo del proceso

Para los componentes que van a ser producidos internamente es necesario

hacer un diseo de proceso, para lo cual se siguen una serie de pasos:

Se debe seleccionar el proceso adecuado para cada componente a ser fabricado.

Se disean los tiles, se eligen las herramientas y si estas deben seguir unatrayectoria prescrita, se selecciona y se programa una trayectoria.

Se disean accesorios para sujetar la pieza de trabajo en la posicin correcta en

relacin con la mquina herramienta para facilitar procesamiento y ensamblaje.

Establecer trabajos de investigacin y desarrollo de proceso con el fin de

desarrollar procesos ms eficientes. Se pueden usar modelos para estudiar el

efecto de las variables del proceso tales como: Modelos fsicos (se conduce el

proceso a escala reducida y utilizando materiales ms baratos) y Modelosmatemticos (se establecen ecuaciones que simulan la respuesta del proceso a

cambios en sus parmetros).

Produccin

Una vez seleccionado y desarrollado el proceso de produccin se procede al

siguiente paso que es la produccin, para ello se lleva cabo lo siguiente:

Se elige la configuracin de la planta para ajustarla a las caractersticas de

produccin.

Se determina el monitoreo del proceso para observar las caractersticas crticas y

verificar las dimensiones, de esta manera se verifica que el producto cumpla con

las especificaciones, es decir, se establece el mecanismo de control de calidad.


21/282

5

Se debe garantizar que las materias primas, partes terminadas, herramientas,

plantillas y aditamentos estn disponibles a tiempo.

Finalmente se procede al ensamblaje de las piezas fabricadas y adquiridas

Relaciones con el cliente

Esta es una de las tareas principales de la manufactura, para ello se puede

seguir los siguientes lineamientos:

De ser posible se puede establecer contacto con el cliente durante el proceso de

produccin, de lo contrario este se realizar con la entrega del producto. Se debe

suministrar guas de usuario y manuales de servicio bien detallados.

Es necesario que exista retroalimentacin en cuanto al desempeo del producto,para de esta forma poder mejorar el proceso de produccin y, si es necesario, para

cambiar el diseo.

1.4. Clasificacin de los Procesos de Manufactura

La clasificacin de los Procesos de Manufactura se puede hacer de acuerdo a

dos criterios bsicos: De acuerdo a la temperatura de trabajo y de acuerdo al tipo de

proceso.

1.4.1. Segn la temperatura de trabajo

La clasificacin de los Procesos de Manufactura, atendiendo a la temperatura

de trabajo, se hace con base en la temperatura a la cual se trabajan los materiales

durante un proceso especfico, de acuerdo con este criterio los Procesos de

Manufactura se clasifican de la manera siguiente:

Trabajo en caliente:Si la temperatura de trabajo durante el proceso es mayor a latemperatura de recristalizacin del material de trabajo. La temperatura de

recristalizacin se define como la menor temperatura a la cual un material que ha

sido deformado en fro vuelve a estar formada por granos equiaxiales. La

recristalizacin se trata con ms detalle en captulos posteriores.


22/282

6

Trabajo en fro: Si la temperatura de trabajo es menor a la temperatura de

recristalizacin del material de trabajo.

1.4.2. Segn el tipo de proceso

La clasificacin de los Procesos de Manufactura de acuerdo al tipo de proceso

responde bsicamente a dos tipos: Procesos de Manufactura sin arranque de viruta y

Procesos de Manufactura con arranque de viruta (mecanizado). Dentro de los

procesos de fabricacin sin arranque de viruta existen diferentes tipos, como moldeo

por fundicin, por deformacin plstica y mediante metalurgia de polvos; de manera

similar, dentro de los procesos de mecanizado existe una gran diversidad,

ajustndose a la geometra final que se quiera obtener.

Si bien es cierto que son procesos que difieren en cuanto a la tcnica que se

usa, tambin es cierto que de manera general se utilizan complementndose unos

con otros. En la mayora de los casos, en una primera fase, se obtiene por moldeo

una pieza con las dimensiones muy similares a las que se quieren al final, luego con

un proceso de mecanizado se ajustan las medidas finales de la pieza. Esto atiende a

las caractersticas propias de los procesos de produccin. Los procesos de

fabricacin por moldeo garantizan que no haya una cantidad excesiva de desecho de

material, pero es muy difcil controlar las dimensiones con ellos, por el contrario, los

procesos de mecanizado garantizan un control ms riguroso de las dimensiones,

pero generan muchos desechos, por esta razn se utilizan en conjunto.

1.5. Materiales utilizados en ingeniera

Desde el comienzo de la civilizacin, los materiales junto con la energa han

sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida. Histricamente, eldesarrollo y la evolucin de las sociedades han estado ntimamente vinculados a la

capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales necesarios

para satisfacer sus necesidades. Como los productos estn fabricados a base de

materiales, estos se encuentran en todas partes alrededor de nosotros, as

conocemos a los materiales como las sustancias que forman los objetos, piezas o


23/282

7

artculos, los cuales denominamos productos, o tambin se puede entender como

una combinacin de tomos y/o molculas que presentan distintas estructuras y

propiedades.

Anteriormente la utilizacin de los materiales era por medio de un proceso deseleccin, en el cual se determinaba cual era el material ms idneo para una

aplicacin particular, pero hace relativamente pocos aos se comenz a comprender

la relacin entre la estructura, el acomodamiento de los elementos y sus

propiedades.

Dentro de la evolucin tecnolgica se ha visto que se han presentado dos

campos para el estudio de los materiales. La Ciencia de los materiales que esta

principalmente ligada a la bsqueda de conocimientos bsicos de la estructura

interna, propiedades y procesado, la cual es una disciplina cientfica ntimamente

relacionada con la investigacin; y la Ingeniera de materiales que est

fundamentada en las relaciones de propiedades-estructura y diseo o proyecta la

estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de

propiedades, con lo que se obtiene un producto que satisface las necesidades de la

sociedad.

A veces es difcil definir la frontera entre ambos conceptos pues existe una

zona de uso comn, segn la formacin del especialista, aunque es evidente que no

se pueden separar estas dos reas, y la relacin se muestra en la Figura 1.1.

Figura 1.1 Interrelacin entre ciencia e ingeniera de los materiales (Mikell, 1997)

Ciencia de

Materiales

Resultante del conocimiento de laestructura, propiedades,

fabricacin y comportamiento de

la Ingeniera de los materiales

Conocimientosbsicos de

materiales

Conocimiento

aplicado de los

materiales

Ciencia e Ingeniera de

los

Materiales Ingeniera deMateriales


24/282

8

1.5.1. Clasificacin de los Materiales de ingeniera

Por conveniencia, los materiales de ingeniera se agrupan en tres grandes

grupos: Materiales metlicos, cermicos y polimricos, los cuales se diferencian por

sus propiedades mecnicas, elctricas y fsicas. Dos grupos ms se pueden agregar,

que aunque se pueden incluir entre los tres anteriores, por su gran importancia, se

les ha incluido en grupos separados: materiales compuestos y materiales

electrnicos.

Materiales metlicos

Son sustancias inorgnicas formadas por uno o ms elementos metlicos y

pueden contener algunos elementos no metlicos. Estos materiales tienen unaestructura cristalina en la cual los tomos estn dispuestos de una manera ordenada.

Por lo general, los metales son buenos conductores de electricidad y calor, muchos

de ellos tienen una relativa alta resistencia mecnica y con dctiles a temperatura

ambiente, y algunos tienen elevada resistencia incluso a altas temperaturas. Ejemplo

de algunos materiales metlicos son: hierro, cobre, aluminio, acero, bronce, etc.

Los materiales metlicos a su vez se pueden dividir en dos grandes grupos:

Metales y aleaciones ferrosas

Son aquellos materiales metlicos que contienen un alto contenido de hierro

como los aceros y hierros para fundicin.

Metales y aleaciones no ferrosas

Son aquellos materiales metlicos que no contienen hierro o contienen

cantidades muy pequeas.

Materiales Polimricos

La mayora de estos materiales est formado por largas cadenas de molculas

orgnicas (contienen carbono) o redes. Estructuralmente, los polmeros no tienen


25/282

9

una disposicin ordenada de sus molculas como el caso de los metales, es decir,

son amorfos, sin embargo, algunos pueden presentar una mezcla de zonas amorfas

y cristalinas (ordenadas). La resistencia mecnica de los polmeros, as como su

ductilidad presentan una gran gama de opciones y debido a la naturaleza de su

estructura, son malos conductores de calor y electricidad y se les usa muchas veces

como aislantes.

Materiales Cermicos

Son materiales inorgnicos formados por elementos metlicos y no

metlicos unidos qumicamente. Pueden ser cristalinos, amorfos o mezclas de

ambos. La mayora de estos materiales tienen alta dureza y resistencia a altas

temperaturas, pero presentan alta fragilidad mecnica. Recientes desarrollos han

dado origen a nuevos materiales cermicos con diferentes aplicaciones en ingeniera.

Bsicamente, la mayora de las aplicaciones de estos materiales en ingeniera se

deben a su bajo peso, alta resistencia y dureza, buena resistencia al calor y la

humedad, su reducida friccin y propiedades aislantes. Por sus propiedades de

resistencia al calor se utilizan como recubrimiento de hornos para fundicin de

metales y enlosados cermicos para vehculos espaciales que protegen la estructura

de aluminio de la nave.

Materiales compuestos

Son una mezcla de uno o ms materiales que consiste en un relleno o

material de refuerzo y una resina compatible de unin para obtener unas

caractersticas especficas y propiedades deseadas. Normalmente, los elementos no

se disuelven y se pueden identificar una interfase entre ellos. Existe una gran

variedad, pero los principales tipos son los fibrosos (fibras en una matriz) y los

particulados (Partculas en una matriz). Algunos materiales de este tipo de gran

importancia son los compuestos por fibra de vidrio contenida en resina epoxdica o

de polister y fibras de carbono contenidas en una matriz epoxdica.


26/282

10

Materiales Electrnicos

No son un grupo numeroso de materiales pero si son de gran importancia en

aplicaciones de ingeniera avanzada. El material electrnico ms importante es el

silito modificado por diferentes medios para alterar sus caractersticas elctricas. Una

gran cantidad de circuitos electrnicos complejos pueden ser miniaturizados sobre un

chip de silicio muy pequeo, lo cual ha facilitado la fabricacin de artefactos como

satlites de comunicacin entre, otras cosas.

1.6. Referencias

Groover, M (1997). Fundamentos de Manufactura Moder (1raedicin). Mxico: PrenticeHall Hispanoamericna,S.A.

Kalpakjian S. y Schmid S. (2008). Manufactura, Ingeniera y Tecnologa (quinta edicin). Mxico: PearsonPrentice Hall.

Shey, J (2002). Procesos de Manufactura (3raedicin). Mxico: Mc Graw Hill.

1.7. Preguntas de repaso

a. Por qu son importantes los procesos de manufactura?b. Cmo se clasifican los procesos de acuerdo a la temperatura de trabajo?c. Cmo se clasifican los procesos de acuerdo al tipo de proceso?d. Mencione las actividades involucradas durante un proceso de manufacturae. Clasifique los materiales de ingeniera.


27/282

TEMA 2: ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE

LOS MATERIALES

Objetivos del tema

1. Describir la estructura bsica de los materiales.2. Definir las propiedades fsicas, mecnicas, elctricas, trmicas y qumicas de

los materiales.3. Describir la relacin entre esfuerzos y deformacin nominal y verdadera enuna prueba de tensin uniaxial.

4. Describir los fundamentos del fenmeno de corrosin.


28/282

12

2. Estructura y propiedades de los materiales

El estudio de las propiedades de los materiales es de vital importancia al

momento de abordar un proyecto de Manufactura y para comprender mejor las

propiedades de los materiales es importante conocer como estn estructuradosinternamente, a continuacin se presenta un breve contenido sobre estructura y

propiedades de los materiales.

2.1. Estructura Bsica de los materiales

La unidad estructural bsica de los materiales es el tomo, el cual est

constituidos fundamentalmente por tres partculas elementales: Protones, Neutrones

y Electrones. El modelo comn ms simple de un tomo es el de un ncleo muypequeo del orden de 10-14 m de dimetro rodeado por una nube de electrones

relativamente poco dispersa y de densidad variable, de forma que el dimetro del

tomo es del orden de 10-10m. El ncleo aglutina casi toda la masa y contiene los

protones y los neutrones. Un protn tiene una masa de 1,673 x 10 -24 g y una carga de

+1,602 x 10-19C. El neutrn es ligeramente ms pesado que el protn y tiene

una masa de 1,675 x 10-24 g y no tiene carga. El electrn tiene una masa

relativamente pequea de 9,109 x 1028g y una unidad de cara igual a la del protn

pero negativa.

La nube de electrones constituye casi todo el volumen del tomo pero slo

representa una pequea parte de su masa. Los electrones, principalmente los ms

externos, determinan la mayor parte de las propiedades elctricas, mecnicas,

qumicas y trmicas del tomo, por lo que un conocimiento bsico de la estructura

atmica es importante en el estudio de los materiales de ingeniera.

2.1.1. Tipos de enlaces atmicos y moleculares

El enlace atmico entre tomos viene siempre acompaado de una

disminucin de la energa potencial del tomo enlazado. Por tal razn, un tomo

enlazado siempre presenta una condicin energtica ms estable que el elemento


29/282

13

solo. En general, los enlaces qumicos entre tomos se pueden clasificar en dos

grupos: enlaces primarios o fuertes y enlaces secundarios o dbiles.

Enlaces atmicos primarios

Los enlaces atmicos fuertes son aquellos que desarrollan grandes fuerzas

interatmicas y pueden ser inicos, covalentes o metlicos.

Enlaces inicos

De manera general se producen entre un elemento electronegativo y otro

electropositivo. Al ponerse en contacto, el elemento electropositivo cede electrones

que acepta el elemento electronegativo, como resultado se tendrn tomos cargados

negativamente y tomos cargados positivamente y al estar cerca se atraen con una

fuerza cuya magnitud se puede determinar mediante la ley de Coulomb.

Figura 2.1. Enlace inico entre el cloro y el sodio (Lasheras, 1997

Enlaces covalentes

A diferencia del enlace inico, el enlace covalente se forma entre tomos con

pequeas diferencias en la electronegatividad y muy prximos en la tabla peridica.En el enlace covalente los tomos generalmente comparten sus electrones externos

s y p con otros tomos, de modo que cada tomo alcanza una configuracin

electrnica de gas noble. Se pueden formar enlaces covalentes sencillos en los

cuales dos tomos aportan un electrn cada uno para pasar a un estado energtico

ms estable como consecuencia de la interaccin de los electrones.


30/282

14

Figura 2.2. Enlace covalente entre dos tomos de cloro. (Lasheras, 1997)

Enlace metlico

Este tipo de enlace se presenta en los metales en estado slido en los cuales

los tomos estn empaquetados relativamente juntos en una ordenacin sistemtica

o estructura cristalina, lo cual provoca que los electrones de valencia de un tomo

sean atrados por los ncleos de sus vecinos. Por tal razn, los electrones de

valencia no estn asociados exclusivamente a un ncleo en particular y seextienden entre todos los tomos en forma de una nube de carga electrnica de baja

densidad o gas electrnico.

Los slidos metlicos se presentan como formados por ncleos de iones

positivos y por electrones de valencia dispersados en forma de una nube electrnica

que cubre una gran extensin de espacio (figura 2.3). Los electrones de valencia

estn dbilmente unidos a los ncleos de iones positivos y pueden separarse con

relativa facilidad del metal cristalino, por lo que se denominan electrones libres. Lasaltas conductividades trmica y elctrica de los metales se basan en la teora de que

algunos electrones son libres para moverse a travs de la celda cristalina del metal.

La mayora de los metales pueden deformarse considerablemente sin fracturar

porque los tomos del metal pueden deslizan unos sobre otros sin distorsionar

completamente la estructura de enlace metlico.


31/282

15

Figura 2.3 Enlace metlico (Smith, 1998)

Enlaces secundarios

Los enlaces atmicos secundarios son relativamente dbiles en contraste con

los primarios. La fuerza impulsora para la formacin de enlaces secundarios es la

atraccin de los dipolos elctricos contenidos en los tomos o molculas. Un

momento bipolar elctrico se crea cuando dos cargas iguales y opuestas se separan.

Se crean dipolos elctricos en tomos o molculas cuando existen centros de carga

positiva y negativa.

En general, existen dos tipos principales de enlaces secundarios entre tomos

o molculas que involucran dipolos elctricos: Los dipolos oscilantes y los dipolos

permanentes. Estos enlaces dipolares secundarios se denominan a veces

conjuntamente como enlaces de Van der Waals.

2.2. Estructuras y geometra cristalina

La estructura fsica de los materiales de ingeniera tiene gran importancia

principalmente en cuanto a la disposicin de los tomos, iones o molculas que

constituyen al slido y de las fuerzas de enlaces entre ellos.

2.2.1. Sistemas cristalinos y Redes de Bravais

Cuando los tomos o iones de un slido estn ordenados segn una

disposicin que se repite en las tres dimensiones, se dice que el slido est formado


32/282

16

por una estructura cristalina. Ejemplos de materiales cristalinos son: metales,

aleaciones y algunos materiales cermicos.

La disposicin atmica en un slido cristalino puede ser representada

considerando a los tomos como los puntos de interseccin de una red de lneas entres dimensiones. Esta red se denomina red espacial y se puede describir como una

disposicin tridimensional de puntos infinita. Cada punto de la red espacial tiene

idntico entorno. En un cristal ideal, la agrupacin de puntos de la red en torno a

todo punto es idntica a la agrupacin en torno a cualquier otro punto de la red

cristalina. As, cada red espacial se puede describir especificando la posicin de los

tomos en una celdilla unidad que se repite en toda la estructura.

El tamao y forma de una celdilla unidad puede ser descrito mediante tres

vectores a, b y ccon origen en uno de los vrtices de la celdilla. Los mdulos de los

vectores y los ngulos que forman entre s se conocen como constantes reticulares

de la celdilla unidad.

Figura 2.4. Celdilla unidad. (Lasheras, 1997)

Las posibles redes cristalinas que se pueden presentar en los materiales se

pueden describir mediante siete sistemas cristalinos (tabla 2.2). El investigador A. J.

Bravais mostr que catorce disposiciones de puntos describen todas las redes

posibles (figura 2.5).


33/282

17

Figura 2.5 Celdillas unidad convencionales de Bravais. (Lasheras, 1997)

Hay cuatro tipos bsicos de celdillas unidad: simple, cuando slo hay tomos

en los vrtices de la celdilla unidad; centrada en el cuerpo, cuando adems de

haber tomos en los vrtices hay un tomo en el centro del cuerpo de la celdilla;


34/282

18

centrada en las caras, cuando adems de haber tomos en los vrtices hay un

tomo en el centro de cada una de las caras de la celdilla y centrada en las bases,

cuando adems de haber tomos en los vrtices hay un tomo en el centro del

cuerpo de la celdilla.

En el sistema cbico hay tres tipos de celdilla unidad: cbica simple, cbica

centrada en el cuerpo y cbica centrada en las caras. En el sistema ortorrmbico hay

los cuatro tipos. En el sistema tetragonal hay slo dos: simple y centrado en el

cuerpo. La celdilla unidad centrada en las caras se puede formar a partir de cuatro

celdillas unidad tetragonales centradas en el cuerpo. El sistema monoclnico tiene

celdillas unidad simple, y centrada en la base, y los sistemas rombodricos,

tetragonal y triclnico tienen slo el tipo simple de celdilla unidad. En la figura 2.5 se

muestran las catorce celdillas unidad convencionales de Bravais.

En la tabla 2.1 se indican las caractersticas de cada una de las 14 celdillas

unidad posibles.

Tabla 2.1 Clasificacin de los retculos espaciales en sistemas cristalinos. (Redes de

Bravais). (Smith, 1998)

N

Sistema cristalino Retculo espacialLongitudes axiales yngulos interaxiales

1 TRICLNICO Sencillo ,cba 90 2

MONOCLNICOSencillo

,cba 90 3 Centrado en la base.4

ORTORRMBICO

Sencillo

,cba 90 5 Centrado en la base.6 Centrado en el cuerpo7 Centrado en las caras8

HEXAGONAL Sencillo

,cba 90 ,

120 9 ROMBODRICO Sencillo ,cba 90 10

TETRAGONALSencillo

,cba 90 11 Centrado en el cuerpo12

CBICASencillo

,cba 90 13 Centrado en el cuerpo14 Centrado en las caras


35/282

19

2.2.2. Principales estructuras cristalinas metlicas

Cerca de un 90% de los metales cristalizan al solidificar en alguna de las tres

estructuras cristalinas siguientes: cbica centrada en el cuerpo (BCC), cbica

centrada en las caras (FCC) y hexagonal compacta (HCP). La estructura HCP esuna modificacin ms densa de la estructura hexagonal sencilla mostrada en la

figura 2.5. La mayora de los metales solidifican bajo esta estructura de denso

empaquetamiento ya que al estar ms cerca los tomos liberan energa y se enlazan

ms fuertemente entre s. De este modo esta estructura corresponde a niveles de

energa ms estables. En la figura 2.6 se muestran las principales estructuras

cristalinas de los metales.

.

Figura 2.6. Principales estructuras cristalinas. (a) BCC, (b) FCC y (c) HCP. (Smith,

1998 y Kalpakjian 2008)

2.2.3. Polimorfismo o alotropa

Muchos elementos y compuestos existen en ms de una estructura cristalina

bajo diferentes condiciones de temperatura y presin. Este fenmeno se denomina

polimorfismo o alotropa. Muchos metales de importancia industrial como hierro,

(a) (b) (c)


36/282

20

titanio y cobalto sufren transformaciones alotrpicas a elevadas temperaturas y

presin atmosfrica. La tabla 2.2 presenta una seleccin de metales que presentan

transformaciones alotrpicas.

Tabla 2.2. Formas alotrpicas cristalinas de algunos elementos. (Kalpakjian ySchmid, 2008)

MetalEstructura cristalina atemperatura ambiente

Estructura cristalina a otrastemperaturas

Ca FCC BCC (>447 C)

Co HCP FCC (>427 C)

Hf HCP BCC (>1742 c)

Fe BCCFCC (9101394 C)

BCC (> 1394 C)

Li BCC HCP (< -193 C)

Na BCC HCP (< -233 C)

Tl HCP BCC (> 234C)

Ti HCP BCC (> 883C)

Y HCP BCC (> 1481C)

Zr HCP BCC (> 872C)

2.2.4. Posiciones atmicas dentro de una celdilla unidad cbica

Para ubicar un punto especfico dentro de una red unitaria se fija primero un

sistema de referencia en uno de los vrtices, la posicin se designa utilizando unadistancia unitaria equivalente al valor de la constante reticular que define el mdulo

de uno de los vectores caractersticos de la red. Una posicin dentro de la red queda

definida por las tres coordenadas x, y, z, entre parntesis y separadas por comas,

es as como las posiciones de los tomos dentro de una celdilla unidad cbica

centrada en el cuerpo quedan definidas como se muestra en la figura 2.7.


37/282

21

Figura 2.7. Posiciones de los tomos dentro de una celdilla cbica centrada en el

cuerpo. (BCC).

2.2.5. Direcciones en celdillas unidad cbica

Muchas veces resulta importante conocer una direccin particular dentro de

una celdilla unidad, principalmente en aquellos materiales en los cuales las

propiedades difieren de acuerdo a la orientacin cristalogrfica. Para indicar una

direccin dentro de una celdilla unidad se utilizan los ndices de direccin encerrados

entre corchetes y sin ser separados por comas. Para encontrar los ndices de

direccin se dibuja un vector desde el origen del sistema de coordenadas, orientado

en la direccin que se quiere indicar, los ndices de direccin sern las coordenadasdel punto en el cual el vector haga contacto con la superficie de la celdilla unidad,

luego de haber sido convertidas en enteros. As, la direccin indicada por el vector

en la figura 2.8 se denota como se muestra.

Figura 2.8. ndices de direccin en una celdilla cbica.

2/3

1/2

1

[6 4 3]

x

y

z

(0, 1, 1)

(1, 1, 1)

(, , )

(0, 1, 0)

(1, 1, 0)(1, 0, 0)

(0, 0, 1)

(0, 1, 0)

(0, 0, 0)y

x

z


38/282

22

Como se puede observar, el punto de contacto del vector con la superficie de

la celdilla unidad tiene coordenadas (1, 2/3, 1/2), Multiplicando por seis (mnimo

comn mltiplo) se obtienen los ndices de direccin [6 4 3]. Si alguno de los ndices

de direccin es negativo, esto se debe denotar con una barra sobre el mismo, as, la

direccin opuesta a la indicada en la figura 2.8 ser 6 4 3

2.2.6. Planos cristalogrficos en una celdilla unidad cbica

Para indicar un plano especfico dentro de una celdilla unidad cbica se

utilizan los ndices de Miller. Para indicar un plano se utiliza la denominacin ( h k l)

donde h, k y l son los ndices de Miller del plano en cuestin. Los ndices de Miller se

determinan a partir del siguiente procedimiento:

Se elige un plano que no pase por el origen del sistema de coordenadas.

Se determinan las intersecciones del plano con los ejes del sistema de

coordenadas.

Se obtienen los inversos de cada interseccin.

Se determina el conjunto de nmeros enteros menores que guardan la misma

relacin que las intersecciones.

Para ilustrar el procedimiento se utiliza la figura 2.9.

Figura 2.9. ndices de Miller.

2/3

1/2

1/3y

x

z

(4 6 3)


39/282

23

El plano en la figura 2.9 intercepta los ejes del sistema de coordenadas en los

puntos: X = 1/2, Y = 1/3, Z = 2/3, los inversos de estos nmeros son: 2, 3 y 3/2

respectivamente, al multiplicar por dos (2) se obtienen los ndices de Miller a saber: h

= 4, k = 6 y l = 3, de esta manera podemos indicar el plano como (4 6 3).

2.2.7. Factor de empaquetamiento, densidad atmica volumtrica, planar y

lineal

Factor de empaquetamiento (FE): El factor de empaquetamiento se utiliza para

calcular la cantidad de volumen total ocupada por tomos dentro de la celdilla

unidad.

= (2.1)

Donde FE es el factor de empaquetamiento, VA en m3es el volumen ocupado

por tomos dentro de la celda y VC en m3es el volumen de la celda.

Densidad volumtrica (v): Se puede estimar la densidad del material si se

consideran los tomos como esferas rgidas cuyo radio sea igual al radio atmico

del elemento, ese valor ser aproximado a la densidad real del material ya quedurante la solidificacin del mismo se acumulan una gran cantidad de defectos

cristalinos que afectan la densidad.

= (2.2)

Done es la densidad volumtrica en kg/m3, Mc es la masa contenida enuna celda en Kg y Vc el volumen de una celda en m 3.

Densidad atmica planar ((p): la densidad atmica planar se utiliza para indicar

la cantidad de tomos por unidad de rea existen en un plano determinado, se

puede calcular dividiendo por el rea de un plano conocido a la cantidad

equivalente de tomos que estn contenidos en dicha rea. Dicho plano se


40/282

Documents

Fundamentos Básicos de Procesos de Manufactura