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Metales Profesor: Luis Suárez Saa. Técnico Electromecánico. Técnico Universitario en Mecánica Automotriz. Ingeniero en Mantenimiento Industrial. Escuela.

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1 Metales Profesor: Luis Suárez Saa. Técnico Electromecánico. Técnico Universitario en Mecánica Automotriz. Ingeniero en Mantenimiento Industrial. Escuela Industrial Ernesto Bertelsen Temple. Fundación Diego Echeverría Castro. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

2 Los Metales Son elementos simples que se caracterizan por poseer un brillo especial, una buena conductividad del calor y de la electricidad. Los metales forman parte de nuestro ambiente natural y son una parte importante de nuestras vidas cotidianas. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

3 Obtención de los Metales Los metales son materiales que se obtienen a partir de minerales que forman parte de las rocas. La extracción del mineral se realiza en minas de Rajo Abierto o de minas Subterránea. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

4 Minas Subterráneas Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

5 Minas de Rajo Abierto Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

6 Explosivos Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

7 Detonaciones Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

8 Técnicas de Separación Tamizado: Consiste en la separación de las partículas sólidas según su tamaño mediante tamices. Filtración: Es la separación de partículas sólidas en suspensión en un líquido a través de un filtro. Flotación: Es la separación de una mezcla de partículas sólidas de un líquido, a esta se le inyecta aire a presión y se agita. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

9 Propiedades de los metales Las propiedades se manifiestan en el interior del material y están asociadas a la estructura cristalina del mismo. Los metales, como todos los elementos químicos, están formados por átomos. Para muchos propósitos es útil y válido considerar los átomos como esferas rígidas. Así podemos hablar del tamaño de los diferentes elementos refiriéndonos a su radio atómico. Los tamaños de los átomos se miden en unidades de Ångstrom, un Ångstrom es igual a cm, es decir, un centímetro contiene 100 millones de Ångstroms. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

10 En la figura se presentan los tamaños relativos de algunos átomos: Fe (1.24 Å), Ni (1.25 Å), O (0.6 Å), C(0.71 Å), N (0.71 Å), H (0.46 Å). En metalurgia es importante tener siempre presente los tamaños relativos de los componentes de una aleación. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

11 En los materiales en estado líquido, los átomos se encuentran en movimiento aleatorio, no guardan posiciones fijas. Cuando los materiales solidifican al ser enfriados, el movimiento atómico cesa. En estado sólido los átomos pueden adquirir un ordenamiento definido tridimensional, en tal caso se dice que tienen estructura cristalina. Forman cristales. Algunos materiales no presentan ordenamiento al solidificar, su estructura es desordenada, se dice que son amorfos. Todos los metales forman cristales en estado sólido. De los materiales amorfos, el vidrio es el ejemplo clásico. Algunosmaterialespueden seramorfos o cristalinos, según como son enfriados. Es el caso, por ejemplo, del SiO 2 (dióxido de silicio), que cuando es cristalino forma el cuarzo y cuando es amorfo forma el vidrio. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

12 Estructura Cristalina En ésta, los átomos están ordenados en el espacio según una red geométrica, constituida por repetición de un elemento básico llamado cristal. Se conocen catorce redes espaciales distintas, que son las catorce formas posibles de ordenar los átomos en el espacio. La mayor parte de los metales cristalizan en las redes siguientes: cúbica centrada en el cuerpo, cúbica centradas en las caras y hexagonal compacta. Los nombres en ingles son: body centered cubic (bcc), face centered cubic (fcc) y hexagonal close packed (hcp). Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

13 Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

14 Propiedades de los metales Las Propiedades de los metales se dividen en las siguientes propiedades: Propiedades Físicas. Propiedades Tecnológicas. Propiedades Mecánicas Propiedades Químicas. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

15 Propiedades Físicas. Las propiedades físicas dependen del tipo de aleación y las más importantes son: Densidad. Peso Específico. Calor Específico Punto de Fusión. Conductividad Térmica. Conductividad Eléctrica. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

16 Cuerpo Todo cuerpo de un material, esta constituido por cierta cantidad de sustancia o de materia denominada masa (m) del cuerpo. Sobre esta masa del cuerpo la tierra ejerce una fuerza denominada fuerza gravitatoria (G), también conocida como peso del cuerpo. Todo cuerpo ocupa un volumen (V) en el espacio. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

17 Ejemplo: Una pieza de acero mide 6.000[mm] de largo, 2.000[mm] de ancho y su espesor es de 2,5[cm]. ¿Cuál es el volumen en [m³] de la pieza? Datos: 6.000[mm] 6[m] 2.000[mm] 2[m] 2,5[cm] 0,025[m] V= A x L x H [m³] V= 2[m] x 6[m] x 0,025[m] V= 0,3[m³] Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

18 Densidad Es la relación entre la masa de un cuerpo respecto al volumen que ocupa en el espacio. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

19 Ejemplo: Si tengo un cubo de madera de 20[cm] de ancho por 200[mm] de largo y 0,2[m] de alto y su masa es de 25 [gr]. ¿Cual es la densidad en [Kg/m³] de la pieza? Datos: 20[cm] 0,2[m] V= A x L x H [m³] 200[mm] 0,2[m] V= 0,2[m] x 0,2[m] x 0,2[m] 0,2[m] 0,2[m] V= 0,008[m³] 25[gr] 0,025[Kg] ρ = m / V ρ = 0,025[Kg] / 0,008 [m³] ρ = 3,125[Kg/m³] Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

20 Peso Específico Es la relación entre la fuerza de gravitación G que actúa sobre un cuerpo respecto al volumen que ocupa dicho cuerpo. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

21 Ejemplo: Si tengo dos cubos de 1[cm³] de oro y de cuarzo, el peso especifico de cada uno es 19,3 y 2,65. ¿Cuál es el volumen que el cuarzo tiene que tener para pesar lo mismo que el oro? Regla de tres: 1[cm³] 2,65 x 19,3 x = 1 x 19,3 2,65 x = 7,28[cm³] Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

22 Calor Específico Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1 kg de determinada sustancia. El calor específico varía con la temperatura. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

23 Ejemplo: ¿Cuál es el Calor emanado de un hervidor con 600[gr] de agua desde una temperatura de 15 a 100°C? Datos: C H2O =1[Cal/gr°C] Q = m x C x T Q = 600[gr] x 1[Cal/gr°C] x (100 – 15) [°C] Q = [Cal] Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

24 Punto de Fusión Es la temperatura a la cual un material pasa del estado sólido al líquido, transformación que se produce con absorción de calor. El punto de solidificación es la temperatura a la cual un líquido pasa al estado sólido. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

25 Conductividad Térmica Todos los metales presentan una gran transmisión de calor. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

26 Conductividad Eléctrica Los metales permiten el paso de la corriente eléctrica con facilidad; son por tanto buenos conductores de la electricidad. Algunos metales presentan un característico comportamiento magnético, que consiste en su capacidad de atraer a otros metales. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

27 Propiedades Tecnológicas Colabilidad: Son aquellos materiales que funden y pueden colarse en moldes a temperaturas rentables. Maleabilidad: Son aquellos materiales que admiten deformaciones bajo cargas, conservando su cohesión sin causar grietas ni roturas. Ciertos metales pueden ser extendidos en láminas muy finas sin llegar a romperse. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

28 Maquinabilidad: Son aquellos materiales que pueden ser mecanizados por arranque de viruta aplicando fuerzas de corte. Soldabilidad: Son aquellos materiales que pueden ser unidos entre si y con otros materiales mediante un proceso de soldadura por fusión o por presión. Templabilidad: Son aquellos materiales que pueden ser endurecidos por un proceso de tratamiento térmico predeterminado. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

29 Propiedades Mecánicas La propiedades mecánicas se manifiestan al someter a los materiales a determinados ensayos mecánicos. Ensayo de Tracción. Ensayo de Dureza. Ensayo de Compresión. Ensayo de Corte Directo. Ensayo de Flexión. Ensayo de Torsión. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

30 Ensayo de Tracción Este ensayo permite conocer las características de un materia cuando se somete a un esfuerzo de tracción. El objetivo es determinar la resistencia a la rotura y las principales propiedades mecánicas del material que es posible apreciar en el diagrama esfuerzo-deformación: Límite Elástico. Punto de Fluencia. Alargamiento. Estricción. Tenacidad. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

31 Este ensayo consiste en someter a una probeta de ensayo a una solicitación de tracción hasta que el material de la probeta se rompa. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

32 Límite Elástico Cuando una pieza de metal es sometida a una fuerza uniaxial, se produce una deformación del metal. Si la pieza vuelve a sus dimensiones originales, cuando cesa la fuerza, la pieza experimenta una Deformación Elástica. Si el metal es deformado hasta el extremo de que no pueda recuperar completamente sus dimensiones originales, la pieza experimenta una Deformación Plástica. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

33 Punto de fluencia Es el primer punto detectable, a partir del cual hay un aumento notorio en la deformación, sin que se acuse un aumento en el esfuerzo aplicado a la probeta. En los metales es el punto, a partir del cual aparecen la deformaciones plásticas irreversibles. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

34 Alargamiento Mide la cantidad de alargamiento que experimenta un material hasta que se rompe. Se mide en % de alargamiento y esto indica la aptitud que tiene un material de ser alargado plásticamente sin romperse, propiedad necesaria para obtener un alambre de diámetro pequeño. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

35 Estricción Mide la cantidad de reducción de sección transversal inicial con respecto a el área mínima una vez terminada la prueba. Se mide en % de estricción; y a mayor % mas ductivilidad tiene un material. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

36 Resiliencia El impacto o resiliencia se puede calcular con el ensayo de Charpy y este entrega valores en Joules. Se emplea este ensayo para saber la tenacidad del material sujeto a esfuerzos bruscos o choques violentos y para comprobar el comportamiento de los materiales con entalladuras que producen concentración de esfuerzos. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

37 Ensayo de Charpy El ensayo Charpy consiste en dejar caer un pesado péndulo, el cual a su paso golpea una probeta que tiene forma paralelepípedo ubicada en la base de la máquina. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

38 Tenacidad Se refiere a la capacidad que tienen los materiales a resistir esfuerzos de deformaciones. Un material es mas Tenaz cuando se requiere una mayor cantidad de trabajo mecánico para romperlo. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

39 Dureza La Dureza es una medida de la resistencia de un metal a la deformación permanente en la superficie. Para establecer que material es mas duro o blando es necesario establecer los diferentes tipos de dureza: Dureza a la Penetración: Es la resistencia que ofrece un material a ser penetrado por otro mas duro, es una medida de su estructura y plasticidad. Dureza al Rebote: Es la resistencia que ofrece un material al choque y que genera un rebote determinado según sus propiedades elásticas. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

40 Dureza a la Deformación: Es la resistencia que opone un material a ser deformado en forma plástica sin generar rotura en su estructura. Dureza al Corte: Es la resistencia que ofrece un material al corte, típica situación que se genera en los procesos de arranque de viruta. Dureza Abrasiva: Es la resistencia que ofrecen los materiales a desgastarse cuando estan sujetos a movimiento de deslizamiento relativos. Dureza de Tensión: Es la resistencia que ofrecen los materiales a romperse debido a una carga de tensión. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

41 Medidas de Dureza La dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración y un escleroscopio para el ensayo de rebote. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza. Dureza BRINELL. Dureza VICKERS. Dureza ROCKWELL. Dureza KNOOP. Dureza SHORE. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

42 Ensayo de Dureza Se coloca la muestra bajo un durómetro. Se realiza una carga conocida y se mide el tamaño de la huella. Se calcula la dureza con las correlaciones entre las dimensiones medidas y las distintas escalas de dureza. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

43 Ensayos BRINELL Emplea una punta de esfera de 10mm de acero templado o carburo de tungsteno. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

44 Tabla de Cargas, diámetros de la bola y materiales para el ensayo de Dureza de Brinell. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

45 Ensayos VICKERS Emplea un diamante con forma de pirámide, Angulo 136º. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

46 Ensayos KNOOP Emplea una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

47 Ensayos ROCKWELL Emplea un cono de diamante de 120º y en algunos casos esfera de acero. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

48 Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

49 Ensayos SHORE Se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer sobre él un material más duro. Si el material es blando absorbe la energía del choque, si el material es duro produce un rebote cuya altura se mide. La práctica se realiza en un "escleroscopio", aparato formado por un tubo de cristal, por cuyo interior cae un martillo con punta de diamante. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

50 Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez Dureza de algunos Materiales

51 Ensayo de Compresión Es un ensayo en el que se somete a una probeta a cargas compresivas. Se usa para estudiar el comportamiento de los materiales bajo estado de cargas. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

52 Ensayo de Corte Directo. En el ensayo de corte directo se corta una barra (pernos) en un dispositivo que apriete dos piezas o una probeta ranurada sometida a carga de tracción por ambos lados. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

53 Ensayo de Flexión El esfuerzo de flexión se obtiene cuando se aplican sobre un cuerpo una carga concentrada en un punto medio. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

54 Ensayo de Torsión Es un ensayo en que se deforma una muestra aplicándole un par torsor. Mientras uno de los extremos permanece quieto, el otro se gira. Se registra el par aplicado y el ángulo girado. Con este tipo de ensayos se muestra directamente del comportamiento a cortadura del Material. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

55 Propiedades Químicas La propiedad química más importante de los metales es la corrosión y esta se puede definir como el ataque químico sobre un material efectuado por el medio ambiente que lo rodea. Esta se divide en dos: Corrosión por Oxidación: Consiste en su facilidad para reaccionar con el oxígeno y cubrirse de una capa de óxido al poco tiempo de estar a la intemperie. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

56 Corrosión Electroquímica: Consiste en aportación de corriente que puede producir una oxidación por la polaridad que tenga el metal. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez


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