1. Unidad 3 Selección del material
En este capítulo:
3.1. Selección del material
3.2. Propiedades generales de los metales
3.3. Materiales del taller mecánico
3.4. Materiales metálicos
3.5. Fundiciones
3.6. Materiales no férricos
3.7. Materiales no metálicos
3.8. Formas comerciales de los materiales
mecanizables
2. Unidad 3 · Selección del material
1
3.2.3. Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas son las reacciones que tienen los materiales delantE
de agentes externos aplicados de forma diversa sobre los mismos. Son básicamen·
te de carácter mecánico, por tanto, nos darán idea del comportamiento mecánicc
posterior. Alguna de las más importantes son:
• Tenacidad: es la propiedad que permite a los metales resistir a los esfuerzos dE
rotura o deformación. Da idea de la capacidad que tiene un metal de absorbe1
energía antes de romperse.
• Elasticidad: es la propiedad que permite a los metales recuperar su forma origi
nal después de haber sido deformados y una vez que se suprime el esfuerzo quE
los deformaba (Figura 3.11). Algunos conceptos asociados son:
- Límite elástico: es la fuerza máxima de deformación que puede aplicarse a ur
material sin originar una deformación permanente. En la práctica, es el valo
de la carga que rebasa ligeramente la elasticidad, produciendo una deforma
ción pequeña (0,2%). La siguiente tabla muestra el valor de límite elástico dE
algunos metales:
1 Material Aluminio latón · Cobre Magnesio Níquel Acero Titanio Tungsteno
70
límite elástico MPa
{N/m2
)
Tabla 3.5.
6,9
Límite elástico materiales.
Fig. 3.11.
Gráfico de tracción
de los metales.
10,1 11,0 4,5 20,7 20,7 10,7 40,7
- Módulo de elasticidad: cuando una muestra, se somete a un esfuerzo de trae
ción y sufre un alargamiento. La relación entre la tensión aplicada y el alarga
miento producido, con relación a la longitud primitiva, permanece constant1
para un mismo material y se denomina módulo de elasticidad.
• Alargamiento de rotura: es el alargamiento máximo, sin rotura, que se pued1
dar por tracción a un material. Se expresa en porcentaje sobre la longitud inicia
de la pieza.
Tensión!
Tensión máxima
Tensión rotura
Límite elástico
Límite proporción
tU
u
;;
U)
·tU
tU-
e Q.
~o fts
_·-N u
'V... •-ciJI ....
o·tU 111
N"Gi :!!CD
Alargamiento
......
• Plasticidad: se define como la capacidad que tienen los materiales de adquirí
deformaciones permanentes. Sus propiedades más importantes son:
- Maleabilidad: es la propiedad que poseen ciertos metales de dejarse reduci
en forma de láminas mediante esfuerzos de compresión. En esta propieda1
se basan los trabajos de laminado, que permiten obtener las chapas de meta
utilizadas corrientemente en la industria. La maleabilidad permite también lo:
trabajos de forjado y embutido.
3. - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - -Unidad 3 · Selección del material
Fig. 3.12.
Tipos de esfuerzos de rotura.
- Ductilidad: es la propiedad que poseen algunos metales de dejarse estirar
mediante esfuerzos de tracción. Es la base de los trabajos de trefilado (reduc-
ción de un metal a alambre o hilo).
- Fatiga: cuando un metal se somete a esfuerzos de magnitud y sentido varia-
bles puede romperse, aplicando cargas muy inferiores a su resistencia a la
rotura normal para un esfuerzo de tensión constante. A este aparente desfa-
llecimiento de los metales cuando están sometidos a esfuerzos de magnitud
diferente se le denomina fatiga de los metales. Uno de los conceptos asocia-
dos más importantes es la resistencia a la fatiga, que se define como la carga
que un metal, sometido a esfuerzos repetidos, puede soportar indefinidamen-
te sin romperse. Es importante conocer estos valores en piezas sometidas a
cargas variables, como por ejemplo los cables de una grúa o de un teleférico.
• Resistencia a la rotura: se denomina así a la carga a partir de la cual se produce
un periodo de rápido estiramiento de la muestra con una sensible reducción de
su sección hasta que se produce la rotura bajo un esfuerzo menor que la tensión
antes citada. Dicho de otra forma, es la carga máxima, por unidad de superficie
(Kg/mm2
), que un material es capaz de soportar sin romperse. Los esfuerzos de
rotura se clasifican en:
- Tracción: resistencia que muestra una pieza a la rotura delante de dos fuerzas
opuestas, que tiran en la dirección de las fibras e intentan estirarlas.
- Compresión: resistencia que muestra una pieza a la rotura delante de dos fuer-
zas opuestas, que tiran en la dirección de las fibras e intentan comprimirlas.
- Torsión: resistencia que muestra una pieza a la rotura delante de dos fuerzas
opuestas, que tiran retorciendo la pieza.
- Cizalladura: resistencia que muestra una pieza al corte en un punto en que
dos fuerzas opuestas intentan partir la pieza.
- Flexión: resistencia que muestra una pieza a la rotura delante de una fuerza
que curva la pieza traccionando unas fibras y comprimiendo otras.
- Combinados: es la ejecución de dos esfuerzos o más en el mismo momento.
TRACCIÓN COMPRESIÓN
CIZALLADURA
FLEXIÓN
EJEMPLO:EJE PORTABROCAS
71
4. Unidad 3 · Selección del material
72
Material
Dureza
Brinell
HB
Tabla 3.6.
o
"O.,
·¡¡;
..0., o... ·¡:
.. -o e
·¡: QJ
·e::::1
<t
35
o
·¡:
·e .,
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QJQJ
..."O ::::1
e "O
•O e
·¡:¡ QJ
.,QJ
<t
90
Dureza brinell de los materiales.
Fig. 3.13.
Gráfico de tracción
material no elástico.
• Estricción: es la propiedad que tienen los metales de oponerse a la reducción de
su sección cuando están sometidos a una carga de tracción.
• Dureza: es una propiedad de los metales que define la resistencia que oponen a
ser penetrados por otros cuya forma y dimensiones se encuentran debidamente
normalizadas. Se entiende, asimismo, como la resistencia que opone un cuerpo
a ser rayado por otro. También da idea de la resistencia de un material a una
deformación permanente.
o
"O., QJ
.~
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...
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o c:t ... ...2' o ... QJu roz
u
c:t
4 75 45 100 100 200 300 175 200 30
• Fragilidad: es la propiedad que tienen los metales de romperse más o menos
fácilmente bajo la acción de un choque. Un material frágil es aquel que se rompe
al rebasar el límite elástico sin apenas experimentar deformación plástica alguna.
Tensión.
Tensión máxima
Límite elástico
Límite proporción
-- Tensión rotura
Alargamiento
• Resiliencia: define la resistencia que opone un cuerpo a la ruptura por choque o
percusión. Es la propiedad inversa a la fragilidad, es decir, un metal resiliente no
es frágil. Da idea de la energía que es capaz de absorber el material al romperse
mediante un solo golpe.
• Fluencia: es la propiedad que tienen algunos metales de deformarse lenta y
espontáneamente bajo la acción de su propio peso o de cargas muy pequeñas.
En general, esta característica aparece con más intensidad en los metales con
temperaturas de fusión baja, como el plomo.
• Maquinabilidad: con esta denominación se agrupan varias propiedades, como
velocidad a la que se puede mecanizar el material al someterle a trabajos con
máquinas, clase de viruta producida, capacidad de desgaste por herramienta y
tipo de acabado superficial que puede obtenerse. En temas sucesivos ampliare-
mos este apartado.
• Porosidad: propiedad que presentan algunos materiales de permitir el paso de
fluidos a través de ellos. Un cuerpo poroso permite la circulación de fluidos a
5. - - - - -- - - -- -- - - - - - - -- - - - - - - - - - -- - Unidad 3 - Selección del material
Fig. 3.14.
Materiales
del taller mecánico.
través suyo. Un cuerpo no poroso es permeable a los líquidos impidiendo el
paso de los mismos a través suyo. Se puede dar el caso que un material sea per-
meable a los gases y no a los líquidos.
3.3. Materiales del taller mecánico
En un taller mecánico podemos encontrar una gran diversidad de materiales para
la fabricación de piezas. Generalmente, los materiales empleados no se utilizan
en estado puro, ya que no suelen presentan las características necesarias para el
uso posterior. Por eso, lo que encontraremos en los talleres mecánicos serán alea-
ciones de diferentes características, que sí se adaptarán a nuestras necesidades.
Esta realidad implica que en los talleres mecánicos podamos tener una cantidad
enorme de materiales, aunque estos se pueden agrupar según el gráfico adjunto,
obteniendo una clasificación más simple.
Ejemplos
materiales
Materiales
metálicos
Materiales
-. . Materiales no
férricos
Cobre, bronce,
luminio, titanio,
etc.
3.4. Materiales metálicos
- .
Plásticos,
cerámicas, etc.
Son aquellos que están formados por uno o más metales, aunque en su compo-
sición pueden aparecer otros componentes. Se agrupan en dos grandes grupos
dependiendo de si el hierro (Fe) está o no en su composición como componente
principal. Por tanto se dividen en:
• Materiales férricos: el hierro es su componente principal.
• Materiales no férricos: el hierro, si está, se encuentra en pequeñas proporciones.
3.4.1. Materiales férricos
Son aquellos materiales en cuya elaboración se ha utilizado el hierro como com-
ponente principal. Es el tipo de material más utilizado, de manera general, para la
construcción de piezas mecánicas.
Como hemos comentado anteriormente, la imposibilidad de trabajar con un ma-
terial en estado puro hace que los materiales férricos estén compuestos, natural-
mente, por hierro (Fe) como elemento principal y carbono (C) en proporciones
variables, además de otros elementos. El contenido en carbono es el que clasifica
y determina las propiedades de estos productos. Entre las aleaciones más impor-
tantes se encuentran:
• Aceros: aleaciones que contienen entre 0,1 y el 2,11% de carbono (C).
• Fundiciones: aleaciones que contienen entre el 2,11 y el 6,67% de carbono (C).
La importancia en el uso generalizado del acero radica en el hecho de que admite
gran cantidad de aleaciones y tratamientos que mejoran sus cualidades y propie-
dades, unido a la particularidad de poder conformarse mediante la mayoría de los
procesos industriales actuales.
73
6. Unidad 3 · Selección del material
62
¿Sabías que?
El ser humano ha estado en contacto directo y ha sido el causante de la evolución
de los materiales. Hagamos, pues, un repaso de la aparición de alguno de ellos:
5000 a.C. El ser humano descubre la cerámica. Ya puede fabricarse vasijas e instru-
mentos para su vida diaria.
4000-3000 a.C. El ser humano descubre el cobre. Este se encuentra presente en la
superficie terrestre y se cree que por casualidad cae al fuego y es, así, descubierto.
Con él realizan armas y vasijas, pero lo más importante es que se inicia la metalur-
gia. Inician los trabajos de minería descubriendo cobre, oro y plata.
3000-1500 a.C. El ser humano descubre el bronce. Por tanto, se genera la primera
aleación, ya que el bronce se obtiene de mezclar cobre (90%) y estaño (10%). El me-
tal obtenido es de mayor dureza y resistencia de los utilizados hasta el momento.
1500 a.C. El ser humano descubre el hierro. Se inicia la utilización del hierro para
fabricar armas y herramientas. Este descubrimiento permite al hombre dominar el
medio de una manera más clara y ampliar sus horizontes.
Siglo XIX. El ser humano descubre los plásticos y materiales compuestos. Unos
materiales muy utilizados actualmente, pero con una corta historia.
La molécula es la partícula más pequeña que presenta todas las propiedades físi-
cas y químicas de una sustancia, y se encuentra formada por dos o más átomos,
que pueden ser iguales (como ocurre con la molécula de oxígeno, que cuenta con
dos átomos de oxígeno) o distintos (la molécula de agua, por ejemplo, tiene dos
átomos de hidrógeno y uno de oxígeno).
Las moléculas se encuentran en constante movimiento, y esto se conoce como
vibraciones moleculares que pueden ser de tensión o de flexión. Sus átomos se
mantienen unidos gracias a que comparten o intercambian electrones, lo que los
Uede cotwemr en moléculas con carga eléctrica o neutras.
Objetivos
• Conocer los diferentes tipos de materiales.
• Estudiar su estructura y comportamiento posterior.
• Estudiar sus aleaciones.
• Conocer las presentaciones comerciales.
7. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -Unidad 3 · Selección del material
3.1. Selección del material
La primera pregunta que un mecánico se formula delante de un plano de la oficina
técnica es en qué material debe mecanizar la pieza. Para ello, este debe ser capaz
de diferenciar los materiales disponibles en el taller mecánico. Estos materiales,
por sus características internas y su composición química, se agrupan en cinco
grandes familias:
·- Combinaciones de
elementos metálicos
Desde plásticos
al caucho
Minerales de arcilla,
cemento y vidrio
Compuestos por más
de un tipo de material
Unión mediante
soldadura de dos
o más componentes
1
-- -
Buenos conductores del calor '
y electricidad. Gran resistencia. ;
Aplicaciones industriales 1
- ---Bajas densidades y extraordinaria,~
flexibilidad i
~
Aislantes elétrJcos y térmicos. MÚ~1
resistentes a altas temperaturas•QUE!
1
los metales y polímeros -!
Diseñados para utilizar las mejores
características de cada componente
Utilizados en materiales con puntos i
de fusión muy distantes o materiales j
difícilmente moldeables
Tabla 3.1. Familias de materiales.
La gran mayoría de materiales encajan por sus características dentro de uno de
estos cuatro grupos.
3.1.1 Características de los materiales
• Como hemos comentado, una de las diferencias existentes entre estos grupos
de materiales es la composición química del material; es decir, las partículas
elementales, los átomos y moléculas y la unión entre estos, los enlaces. Y den-
tro de esta composición química, cómo se distribuyen estos átomos; es decir, la
distribución de los mismos internamente.
Composición química
La composición química de los materiales se inicia en sus partículas más peque-
ñas, los átomos, y dentro de estos, los protones, neutrones y electrones, entre
otros elementos.
• Átomos. Si observamos un átomo, nos encontramos un núcleo formado por
neutrones y protones donde se concentra la masa con una carga positiva, y una
corteza formada por los electrones con carga negativa y prácticamente sin masa.
Si dicho átomo no está excitado eléctricamente se dice que es neutro, es decir,
que tiene el mismo número de electrones que de protones.
- Núcleo: es el centro del átomo. Su estructura interna no se conoce exacta-
mente, pero sí se sabe que está formado por protones de carga positiva, que
corresponden al número atómico en la tabla de los elementos y neutrones sin
carga.
- Electrones periféricos: técnicamente esta es la parte más interesante de un
átomo, ya que estos electrones, que están en movimiento alrededor del nú-
cleo, se pueden comportar de diferente forma y, por tanto, variaran las pro-
piedades físicas y químicas de los materiales.
63
8. Unidad 3 · Selección del material
64
Dependiendo de las acciones exteriores aplicadas, los electrones sufrirán cambios
energéticos y harán que esos movimientos se realicen más cerca o más alejados
del núcleo. Un ejemplo lo tenemos en las dilataciones, cuando los electrones se
mueven en capas más externas, y en las contracciones, cuando los electrones gi-
ran en capas más próximas al núcleo.
• Enlaces. Son la manera en que se unen los átomos entre sí. Las características
mecánicas dependen directamente de estos enlaces. Existen tres tipos de enla-
ces primarios:
- Enlace iónico: este enlace es el más sencillo de describir y comprender. Siem-
pre se forma entre compuestos formados por elementos metálicos y no metá-
licos, es decir, de diferente carga. El cloruro sódico (NaCI) es el iónico clásico.
El átomo de sodio (Na) cede un electrón a un átomo de cloro (CI), quedando
ionizado el primero con carga positiva y el segundo con carga negativa. Los
iones con cargas inversas se atraen por fuerzas eléctricas, obteniendo un en-
lace iónico.
Fig. 3.1 .
Enlace iónico.
Cloruro de Sodio (NaCI)
Enlace lónlco:
Cloruro de Sodio (NaCI)
- Enlace covalente: este enlace se produce cuando se unen químicamente ele-
mentos que no son metálicos. No existe una transferencia completa de elec-
trones. Dos átomos unidos covalentemente contribuyen cada uno al enlace
con al menos un electrón, quedando estos compartidos entre ambos átomos
y considerándose de los dos átomos. Esta unión proporciona fuerzas de atrac-
ción muy intensas, obteniendo materiales muy duros. El diamante es un ejem-
plo con un enlace covalente entre átomos de carbono.
Fig. 3.2. Etileno
Enlace covalente.
Enlace covalente:
Etileno (C,H, )
Enlac:e covalente
sencillo
- Enlace metálico: este enlace se presenta en metales y en sus aleaciones. Com-
prende el iónico y el covalente. Se caracteriza porque sus electrones de valen-
cia no pertenecen a ningún átomo y tienen libertad para desplazarse entre los
átomos. Si no existe ninguna excitación eléctrica o calorífica, los electrones se
desplazan manteniendo la estructura en equilibrio. Estos electrones libres en
movimiento por la red cristalina forma una «nube de electrones» o «mar de
electrones», que une a todos los iones positivos y le otorga el brillo caracterís-
tico de los metales.
Mar de electrones Núcleo atómico
Fig. 3.3.
Enlace metálico.
9. - - - - - - -- - - -- - - - - - - - - - - - - -- - - - - -Unidad 3 · Selección del material
3.1.2. Estructura de materiales metálicos
Como hemos visto, los materiales metálicos están formados por agrupaciones de
átomos unidos entre sí mediante enlaces metálicos. Esta unión de los átomos la
podemos encontrar de dos maneras:
• Formando una red geométrica denominada red cristalina, que varía en función
del material. La disposición ordenada y geométrica en el espacio de los átomos
constituye una estructura. La forma y fuerza en la unión de esta estructura de-
terminará el comportamiento posterior del material, por lo que el estudio de
estas estructuras es el punto de inicio para conseguir materiales con caracterís-
ticas concretas.
• Como una distribución aleatoria de los átomos del material que nos generará
una estructura granular. Esta generará un comportamiento característico del
material.
3.1.2.1. Estructura cristalina
En los materiales con estructura cristalina, los átomos están ordenados en el espa-
cio siguiendo una red geométrica constituida por repetición de un elemento bási-
co llamado cristal. Las distintas formas posibles de ordenar los átomos en el espa-
cio constituyen catorce redes espaciales diferentes. La mayor parte de los metales
cristalizan en las redes siguientes: cúbica centrada en las caras, cúbica centrada en
el cuerpo y hexagonal compacta.
Fig. 3.4. Estructura cristalina.
Cúbica simple
Ortorrómbica simple
Hexagonal compacta
Cúbica centrada caras
Ortorrómbica
centrada en el cuerpo
Monoclínica simple
Cúbica centrada
en el cuerpo
Ortorrómbica
centrada en las bases
Tetragonal simple
Ortorrómbica
centrada en las caras
Monoclinica centrada
en las bases
Fig. 3.5. Redes cristalinas.
Tetragonal centrada
en el cuerpo
Romboédrica
Triclínica
65
10. Unidad 3 · Selección del material
66
M
1
' Estructura 1 R d' . . ( ) M
1
1 Estructura 1 Radio atómico
eta cristalina a lO atom•co nm eta cristalina (nm)
Aluminio FCC
Cobalto HC
Cobre FCC
Oro FCC
Hierro BCC
Plomo FCC
FCC =cúbica centrada en las caras
0,1431 Molibdeno BCC 0,1363
0,1253 Níquel FCC 0,1246
0,1278 Plata FCC 0,1445
0,1442 Titanio HC 0,1445
0,1241 Tungsteno BCC 0,1371
0,1750 Zinc HC 0,1332
HC =hexagonal compacta BCC =cúbica centrada en el cuerpo
Tabla 3.2. Estructura cristalina de ciertos metales.
La existencia de una u otra estructura determina el comportamiento del material
y, por tanto, las propiedades del metal. Por ejemplo, una estructura con una fuerte
unión entre átomos generará un material con una gran resistencia a la rotura; o un
material en el que los átomos se pueden desplazar a nuevas posiciones fácilmente
generará un material con una gran deformación plástica.
• Estructura cristalina cúbica centrada en las caras FCC. Esta estructura en forma
de cubo presenta un átomo en cada extremo de la estructura y en el centro de
la cara presenta un nuevo átomo. Cristalizan en esta estructura el cobre, el alu-
minio, la plata y el oro.
Fig. 3.6. Estructura cristalina cúbica centrada en las caras FCC.
• Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo BBC. Esta estructura en forma
de cubo presenta un átomo en cada extremo de la estructura, y en el centro de
la estructura presenta un nuevo átomo. Cristalizan en esta estructura el cromo,
el molibdeno, el tántalo y el tungsteno.
Fig. 3.7. Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo BBC.
• Estructura cristalina hexagonal compacta HC. Esta estructura en forma hexago-
nal presenta un átomo en cada extremo de la estructura, y en el centro de las ca-
ras hexagonale, presenta un nuevo átomo. En el centro de la estructura presente:
tres átomos adicionales formando un triángulo. Cristalizan en esta estructura e
cadmio, el cobalto, el titanio y el zinc.
11. - - - - - - -- - - -- - - - - - -- -- -- - - - - - -- -Unidad 3 · Selección del material
Fig. 3.8. Estructura cristalina hexagonal compacta HC.
3.1 .2.2. Estructura granular
En los materiales con estructura granular, los átomos carecen de ordenamiento
atómico y regular. Estos materiales también se llaman amorfos o líquidos suben-
triados, puesto que su estructura atómica carece de forma y recuerda a la de un
líquido.
Que un sólido adquiera esta estructura, depende de la facilidad con la que la es-
tructura atómica del líquido producida al azar se pueda transformar en un estado
ordenado durante su solidificación. El enfriamiento rápido favorece la formación
de sólidos no cristalinos, ya que dicho proceso de ordenación requiere un tiempo.
Estos materiales se caracterizan por su relativa complejidad en la estructura ató-
mica y molecular, que se puede ordenar con relativa dificultad.
Fig. 3.9. Estructura cristalina y no cristalina.
Cuando hablamos de metales puros, al tener todos los átomos iguales, tenemos
los granos idénticos; pero al hablar de aleaciones, estos granos varían unos de
otros al tener un material con composiciones diversas.
Al solidificarse y tener los componentes características diferentes, se presentan
velocidades de enfriamiento distintas y se forman granos con diferente naturaleza,
obteniendo una estructura granular concreta.
Estos granos tendrán un tamaño que oscila entre los 0,02 a los 0,2 mm y su forma
dependerá del proceso de fabricación utilizado y de la velocidad de enfriamiento
aplicada. A más velocidad, grano más pequeño y estructura más fina, y viceversa.
En líneas generales, cuanto mayor es el grano de que está constituido un metal,
peores son sus propiedades mecánicas. Esto se debe a que los metales suelen
contener una cierta cantidad de impurezas insolubles formadas por óxidos, sili-
catos, etc. Estas impurezas, bastante frágiles, se concentran formando capas que
envuelven los granos y los separan unos de otros. Por ello, cuanto más pequeños
sean los granos, es decir, cuanto más fina su estructura, tanto más duro y resisten-
te será el metal.
67
12. Unidad 3 · Selección del material
68
Temperatura
de fusión
(·q
660 1.083
3.2. Propiedades generales
de los metales
La manera de comportarse un material en su lugar de trabajo, depende direc-
tamente de las cualidades intrínsecas de los mismos y de las reacciones que ex-
perimentan. Las características de los metales son unas veces cualidades, otras
defectos y, en algunos casos, solo constantes físicas. Lo importante es conocerlas
y saber su funcionamiento.
Las principales propiedades de los materiales, de especial interés para controlar
las reacciones posteriores, podemos agruparlas en: propiedades físicas, propieda-
des químicas y propiedades mecánicas.
3.2.1. Propiedades físicas
Las propiedades físicas de los materiales dependen de la composición química
y estructural del material y de la aplicación, sobre esta composición, de agentes
físicos externos, que pueden alterar su comportamiento. Alguna de las más im-
portantes son:
• Fusibilidad: es la propiedad que tienen los metales de licuarse (pasar de estado
sólido a líquido) bajo la acción del calor. Esta propiedad es necesaria en los tra-
bajos de fundición para la obtención de piezas coladas y para diseñar piezas para
trabajos a altas temperaturas.
• Calor específico: indica la cantidad de calor necesaria para aumentar la tem-
peratura de la unidad de masa de un cuerpo desde O hasta 1 ·c. Se expresa
en calorías-gramo. Su valor tiene gran importancia porque permite conocer la
cantidad de calor que se necesita aportar a una masa de metal para elevar su
temperatura hasta la transformación o fusión.
• Temperatura de fusión: es una característica bien definida de los metales, que
coincide con el cambio de estado (de sólido a líquido) que experimenta un metal
al aumentar la temperatura de forma progresiva. El cuadro siguiente muestra las
temperaturas típicas de fusión de algunos metales.
1.900 232 1.539 1.453 327 1.063 961 1.700 3.410
Tabla 3.3. Temperaturas de fusión materiales.
• Dilatabilidad: es la propiedad que poseen los cuerpos de aumentar su volumen
por efecto del calor. Esta propiedad se suele expresar por el aumento unitario
de longitud que sufre el metal al elevarse en un grado su temperatura, llamado
coeficiente de dilatación lineal. Propiedad necesaria de control en mecanismos
trabajando en movimiento con variación de temperatura, como puede ser un
motor de combustión.
Material Hormigón Plata 1 Oro Aluminio Cobre Acero Vidrio
Dilatabilidad por metro
y grado Celsius (m}
0,7-1,2 X 10"5
2,0 X 10"5
1,5 X 10"5
2,4 X 10"5 1,7 X 10·5 1,2 X 10·S 0,4-0,9 X 10"5
Tabla 3.4. Dilatabilidad de los materiales.
• Conductividad térmica: es la propiedad de los metales que les permite transmi-
tir el calor a través de su masa. Necesario en sistemas de sujeción o protección
delante de masas calientes, como por ejemplo, el mango de una sartén. Tam-
bién es utilizada en sistemas como termopares, que al calentar un metal sufrirá
una deformación y esta activará alguna función.
13. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -Unidad 3 · Selección del material
Los álcalis son
óxidos, hidróxidos y
carbonatos de los
metales a lcalinos.
Actúan como bases
fuertes y son muy
hidrosolubles. De
tacto jabonoso,
pueden ser lo
basta nte corrosivos
como para quemar
la piel, al igual que
los ácidos fuertes.
Ejemplos son e l
hidróxido y óxido d e
calcio, el hidróxido y
óxido de potasio, y e l
hidróxido, c arbo nato,
peróxido y silicatos
sódicos y fosfato
trisódico.
• Conductividad eléctrica: es una propiedad casi exclusiva de los metales y con-
siste en la facilidad que poseen de transmitir corriente eléctrica a través de su
masa. La inversa de su conductividad es la resistividad eléctrica. Necesaria para
la construcción de conductores eléctricos y también de su inverso, el aislante
eléctrico.
• Cohesión: la cohesión es la fuerza de atracción entre las moléculas que forman
el material. Como hemos visto en la unidad 2, si unimos dos calas Johanson, que
tienen la superficie muy pulida, para separarlas deberemos hacer una gran fuer-
za: se han quedado adheridas gracias a la cohesión entre las piezas.
• Porosidad: propiedad que presentan algunos materiales de permitir el paso de
líquidos y gases por su interior. Interesante cualidad en filtros o en recipientes
de contención de elementos.
• Magnetismo: propiedad de algunos minerales de atraer al hierro. Se aplica a
algunos aceros convirtiéndolos en imanes.
3.2.2. Propiedades químicas
Se trata de las propiedades que poseen los materiales a oponerse delante de reac-
ciones químicas. Las más importantes son:
• Oxidación: es un fenómeno de combinación química del oxígeno con los ele-
mentos metálicos, que produce la corrosión o degradación del metal. Su efecto
se acentúa al aumentar la temperatura. En algunos metales el proceso de oxida-
ción no desemboca en corrosión, sino que, todo lo contrario, genera una capa
protectora a la misma. En estos casos, a medida que aumenta el espesor de la
película de óxido, aumenta también la dificultad de difusión del proceso, hasta
que al llegar a un determinado grueso se detiene y, por tanto, cesa también la
oxidación; es el caso del acero inoxidable o del aluminio entre otros. El espesor
de óxido necesario para que se produzca una acción protectora depende y varía
sustancialmente en función de la naturaleza del metal y de la temperatura a la
que se encuentre.
Material Metálico (contiene Fe) SIN REACOÓN QUfMICA
Fig. 3.1 O. Reacción metales con el oxígeno.
• Corrosión: es el deterioro lento y progresivo de un metal debido a un agente
exterior. La corrosión atmosférica es la producida por el efecto combinado del
oxígeno del aire y la humedad, pero se da también corrosión química producida
por los ácidos y los álcalis. Existen diferentes tipos de corrosión, en función de
cada uno de los cuales los efectos apreciados en los metales varían de forma
notoria. En algunos casos, el efecto de la corrosión provoca un adelgazamiento o
disminución de espesor del metal; en otros casos, el metal queda picado y suele
mostrar grandes rugosidades superficiales por la pérdida de masa. La corrosión
puede afectar también a la cohesión de los granos constituyentes del metal,
debilitando su resitencia de tal forma que a veces se rompen las piezas al menor
esfuerzo, sin que exteriormente se observe ninguna alteración superficial.
69
14. Unidad 3 · Selección del material
1
3.2.3. Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas son las reacciones que tienen los materiales delantE
de agentes externos aplicados de forma diversa sobre los mismos. Son básicamen·
te de carácter mecánico, por tanto, nos darán idea del comportamiento mecánicc
posterior. Alguna de las más importantes son:
• Tenacidad: es la propiedad que permite a los metales resistir a los esfuerzos dE
rotura o deformación. Da idea de la capacidad que tiene un metal de absorbe1
energía antes de romperse.
• Elasticidad: es la propiedad que permite a los metales recuperar su forma origi
nal después de haber sido deformados y una vez que se suprime el esfuerzo quE
los deformaba (Figura 3.11). Algunos conceptos asociados son:
- Límite elástico: es la fuerza máxima de deformación que puede aplicarse a ur
material sin originar una deformación permanente. En la práctica, es el valo
de la carga que rebasa ligeramente la elasticidad, produciendo una deforma
ción pequeña (0,2%). La siguiente tabla muestra el valor de límite elástico dE
algunos metales:
1 Material Aluminio latón · Cobre Magnesio Níquel Acero Titanio Tungsteno
70
límite elástico MPa
{N/m2
)
Tabla 3.5.
6,9
Límite elástico materiales.
Fig. 3.11.
Gráfico de tracción
de los metales.
10,1 11,0 4,5 20,7 20,7 10,7 40,7
- Módulo de elasticidad: cuando una muestra, se somete a un esfuerzo de trae
ción y sufre un alargamiento. La relación entre la tensión aplicada y el alarga
miento producido, con relación a la longitud primitiva, permanece constant1
para un mismo material y se denomina módulo de elasticidad.
• Alargamiento de rotura: es el alargamiento máximo, sin rotura, que se pued1
dar por tracción a un material. Se expresa en porcentaje sobre la longitud inicia
de la pieza.
Tensión!
Tensión máxima
Tensión rotura
Límite elástico
Límite proporción
tU
u
;;
U)
·tU
tU-
e Q.
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_·-N u
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o·tU 111
N"Gi :!!CD
Alargamiento
......
• Plasticidad: se define como la capacidad que tienen los materiales de adquirí
deformaciones permanentes. Sus propiedades más importantes son:
- Maleabilidad: es la propiedad que poseen ciertos metales de dejarse reduci
en forma de láminas mediante esfuerzos de compresión. En esta propieda1
se basan los trabajos de laminado, que permiten obtener las chapas de meta
utilizadas corrientemente en la industria. La maleabilidad permite también lo:
trabajos de forjado y embutido.
15. - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - -Unidad 3 · Selección del material
Fig. 3.12.
Tipos de esfuerzos de rotura.
- Ductilidad: es la propiedad que poseen algunos metales de dejarse estirar
mediante esfuerzos de tracción. Es la base de los trabajos de trefilado (reduc-
ción de un metal a alambre o hilo).
- Fatiga: cuando un metal se somete a esfuerzos de magnitud y sentido varia-
bles puede romperse, aplicando cargas muy inferiores a su resistencia a la
rotura normal para un esfuerzo de tensión constante. A este aparente desfa-
llecimiento de los metales cuando están sometidos a esfuerzos de magnitud
diferente se le denomina fatiga de los metales. Uno de los conceptos asocia-
dos más importantes es la resistencia a la fatiga, que se define como la carga
que un metal, sometido a esfuerzos repetidos, puede soportar indefinidamen-
te sin romperse. Es importante conocer estos valores en piezas sometidas a
cargas variables, como por ejemplo los cables de una grúa o de un teleférico.
• Resistencia a la rotura: se denomina así a la carga a partir de la cual se produce
un periodo de rápido estiramiento de la muestra con una sensible reducción de
su sección hasta que se produce la rotura bajo un esfuerzo menor que la tensión
antes citada. Dicho de otra forma, es la carga máxima, por unidad de superficie
(Kg/mm2
), que un material es capaz de soportar sin romperse. Los esfuerzos de
rotura se clasifican en:
- Tracción: resistencia que muestra una pieza a la rotura delante de dos fuerzas
opuestas, que tiran en la dirección de las fibras e intentan estirarlas.
- Compresión: resistencia que muestra una pieza a la rotura delante de dos fuer-
zas opuestas, que tiran en la dirección de las fibras e intentan comprimirlas.
- Torsión: resistencia que muestra una pieza a la rotura delante de dos fuerzas
opuestas, que tiran retorciendo la pieza.
- Cizalladura: resistencia que muestra una pieza al corte en un punto en que
dos fuerzas opuestas intentan partir la pieza.
- Flexión: resistencia que muestra una pieza a la rotura delante de una fuerza
que curva la pieza traccionando unas fibras y comprimiendo otras.
- Combinados: es la ejecución de dos esfuerzos o más en el mismo momento.
TRACCIÓN COMPRESIÓN
CIZALLADURA
FLEXIÓN
EJEMPLO:EJE PORTABROCAS
71
16. Unidad 3 · Selección del material
72
Material
Dureza
Brinell
HB
Tabla 3.6.
o
"O.,
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.. -o e
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35
o
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QJQJ
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.,QJ
<t
90
Dureza brinell de los materiales.
Fig. 3.13.
Gráfico de tracción
material no elástico.
• Estricción: es la propiedad que tienen los metales de oponerse a la reducción de
su sección cuando están sometidos a una carga de tracción.
• Dureza: es una propiedad de los metales que define la resistencia que oponen a
ser penetrados por otros cuya forma y dimensiones se encuentran debidamente
normalizadas. Se entiende, asimismo, como la resistencia que opone un cuerpo
a ser rayado por otro. También da idea de la resistencia de un material a una
deformación permanente.
o
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u
c:t
4 75 45 100 100 200 300 175 200 30
• Fragilidad: es la propiedad que tienen los metales de romperse más o menos
fácilmente bajo la acción de un choque. Un material frágil es aquel que se rompe
al rebasar el límite elástico sin apenas experimentar deformación plástica alguna.
Tensión.
Tensión máxima
Límite elástico
Límite proporción
-- Tensión rotura
Alargamiento
• Resiliencia: define la resistencia que opone un cuerpo a la ruptura por choque o
percusión. Es la propiedad inversa a la fragilidad, es decir, un metal resiliente no
es frágil. Da idea de la energía que es capaz de absorber el material al romperse
mediante un solo golpe.
• Fluencia: es la propiedad que tienen algunos metales de deformarse lenta y
espontáneamente bajo la acción de su propio peso o de cargas muy pequeñas.
En general, esta característica aparece con más intensidad en los metales con
temperaturas de fusión baja, como el plomo.
• Maquinabilidad: con esta denominación se agrupan varias propiedades, como
velocidad a la que se puede mecanizar el material al someterle a trabajos con
máquinas, clase de viruta producida, capacidad de desgaste por herramienta y
tipo de acabado superficial que puede obtenerse. En temas sucesivos ampliare-
mos este apartado.
• Porosidad: propiedad que presentan algunos materiales de permitir el paso de
fluidos a través de ellos. Un cuerpo poroso permite la circulación de fluidos a
17. - - - - -- - - -- -- - - - - - - -- - - - - - - - - - -- - Unidad 3 - Selección del material
Fig. 3.14.
Materiales
del taller mecánico.
través suyo. Un cuerpo no poroso es permeable a los líquidos impidiendo el
paso de los mismos a través suyo. Se puede dar el caso que un material sea per-
meable a los gases y no a los líquidos.
3.3. Materiales del taller mecánico
En un taller mecánico podemos encontrar una gran diversidad de materiales para
la fabricación de piezas. Generalmente, los materiales empleados no se utilizan
en estado puro, ya que no suelen presentan las características necesarias para el
uso posterior. Por eso, lo que encontraremos en los talleres mecánicos serán alea-
ciones de diferentes características, que sí se adaptarán a nuestras necesidades.
Esta realidad implica que en los talleres mecánicos podamos tener una cantidad
enorme de materiales, aunque estos se pueden agrupar según el gráfico adjunto,
obteniendo una clasificación más simple.
Ejemplos
materiales
Materiales
metálicos
Materiales
-. . Materiales no
férricos
Cobre, bronce,
luminio, titanio,
etc.
3.4. Materiales metálicos
- .
Plásticos,
cerámicas, etc.
Son aquellos que están formados por uno o más metales, aunque en su compo-
sición pueden aparecer otros componentes. Se agrupan en dos grandes grupos
dependiendo de si el hierro (Fe) está o no en su composición como componente
principal. Por tanto se dividen en:
• Materiales férricos: el hierro es su componente principal.
• Materiales no férricos: el hierro, si está, se encuentra en pequeñas proporciones.
3.4.1. Materiales férricos
Son aquellos materiales en cuya elaboración se ha utilizado el hierro como com-
ponente principal. Es el tipo de material más utilizado, de manera general, para la
construcción de piezas mecánicas.
Como hemos comentado anteriormente, la imposibilidad de trabajar con un ma-
terial en estado puro hace que los materiales férricos estén compuestos, natural-
mente, por hierro (Fe) como elemento principal y carbono (C) en proporciones
variables, además de otros elementos. El contenido en carbono es el que clasifica
y determina las propiedades de estos productos. Entre las aleaciones más impor-
tantes se encuentran:
• Aceros: aleaciones que contienen entre 0,1 y el 2,11% de carbono (C).
• Fundiciones: aleaciones que contienen entre el 2,11 y el 6,67% de carbono (C).
La importancia en el uso generalizado del acero radica en el hecho de que admite
gran cantidad de aleaciones y tratamientos que mejoran sus cualidades y propie-
dades, unido a la particularidad de poder conformarse mediante la mayoría de los
procesos industriales actuales.
73
18. 74
Fig. 3.15. Estructura del hierro.
INTERESANTE
Para fabricar una
tonelada de arrabio
se necesitan unas
dos toneladas
de mineral de hierro,
una tonelada
de coque, casi
media de caliza
y cuatro de aire.
3.4.1.1. Proceso de obtención de los productos férricos
Para obtener productos férricos es necesario recurrir a la industria siderúrgica,
que es aquella que comprende las operaciones y procesos necesarios para la ob-
tención del hierro y su posterior tratamiento hasta obtener los materiales utiliza-
dos industrialmente (aceros, fundiciones).
Pero antes de hablar de cómo se desarrolla el proceso, vamos a presentar al hierro.
El hierro es un material de color grisáceo, dúctil y maleable. En estado puro (me-
nos de un 0,008% de C) es quebradizo, con lo que no tiene utilidades industria-
les. En este momento presenta una estructura cristalina uniforme según se puede
apreciar en la figura.
Es uno de los elementos químicos más abundantes en la naturaleza, pero se en-
cuentra en forma de óxidos y carbonatos.
Su símbolo químico es Fe, tiene un peso específico de 7,86 kg/dm3 y funde alre-
dedor de 1.540 oc, reblandeciéndose antes de llegar a dicha temperatura, lo que
permite forjarlo y moldearlo con facilidad. Es buen conductor del calor y de la
electricidad, y se imanta fácilmente.
En la industria se utiliza aleado, principalmente, con carbono, además de con otros
elementos, con lo que se obtienen los aceros o las fundiciones.
El hierro puro, al igual que todos los metales, presenta una estructura alotrópica
que va cambiando en función de la temperatura en que se encuentra, con lo que
podemos encontrar diferentes estados del material y, por tanto, diferentes com-
portamientos si realizamos enfriamientos bruscos.
Veamos qué proceso debemos s6 uir para obtener dicho material base y su tra-
tamiento posterior hasta conseguir un material de uso industrial, el acero y las
fundiciones.
Obtención del hierro
Dado que es el material base de la mayoría de productos utilizados en el taller
mecánico, es necesario conocer cuál es su proceso de elaboración. El proceso se
inicia en la mina, con la extracción del mineral de hierro, el carbón de coque y el
fundente, que son la materia prima para obtener el acero. Estos elementos se
deben tratar antes de introducirlos en el alto horno.
• Mineral de hierro. Para facilitar su fusión y eliminar impurezas, debemos reali·
zar una preparación previa que consiste en:
1. Limpiar el mineral de arenas y sustancias salinas que incorpora al salir de la
mina.
2. Se tritura el mineral a fin de obtener un tamaño unificado, una mejor movi-
lidad del material y una mejor mezcla con el fundente. El polvo de material
se compacta a fin de obtener dicho tamaño.
3. Se tuesta el mineral para convertirlo en óxido de hierro y eliminar el azufre.
Este proceso recibe el nombre de calcinación.
• Fundente. La caliza actúa como fundente en el alto horno; se tritura para obte-
ner una mezcla homogénea y una mayor facilidad de mezcla con el mineral de
hierro.
• Carbón de coque. El combustible es el carbón de coque, al cual se le aplica un
proceso en un horno de coquización para obtener un mayor poder calorífico.
Estos tres elementos, en las proporciones de 2tn mineral de hierro, ltn carbón
de coque, Yztn caliza, se introducen en el alto horno mezclándose en su interior.
• Un alto horno es, básicamente, un enorme cilindro de acero recubierto con la-
drillo refractario y cargado con mineral de hierro, de donde conseguiremos el
hierro, carbón de coque, que aporta el calor necesario para la fusión en el hor-
no, caliza, que actúa como fundente mezclándose con las impurezas del hierro
19. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Unidad 3 ·Selección del materia
COQUIZACIÓN
Proceso en que se
somete el carbón
a altas temperaturas
en ausencia de
oxígeno para eliminar
las partes volátiles
y aumentar su
poder calorífico.
como son el azufre y el dióxido de silíceo y así poder extraerlas del metal fundi-
do, y aire caliente, que proporciona el oxígeno necesario para mejorar la com-
bustión del carbón y elevar la temperatura interior del alto horno hasta unos
1.800 "C.
• Por la parte superior del alto horno se procede a la carga de los materiales de
manera automatizada y continua. En la parte inferior, se produce la combustión
del carbón y la fusión del mineral de hierro y el fundente, que se va depositando
en la parte inferior mientras en la parte superior del horno se añade más carga .
De mientras, el aire caliente de la combustión, al ascender forma monóxido de
carbono, que ayuda a eliminar el oxígeno del mineral de hierro y a convertirlo
en dióxido de carbono.
• El fundente, en este caso caliza, se mezcla con las impurezas del mineral de
hierro, formando una substancia llamada escoria, de menor densidad, que flota
sobre él. Esta escoria, se retira regularmente y se reutiliza para la fabricación de
bloques de cemento y como base para carreteras.
• El hierro fundido se retira del alto horno cada cinco horas obteniendo de 150 a
300 toneladas de hierro, denominado arrabio o hierro de primera fusión, que se
introducen en lingotes de 45 kg para transportarlo a la acería, o verterlo en los
hornos de afino.
• El arrabio es hierro de primera fusión, que no se puede utilizar industrialmente
ya que posee impurezas como el azufre, fósforo y otros elementos que lo hacen
quebradizo. Por ello, es sometido a un proceso de descarburización y elimina-
ción de impurezas, denominado afino, a partir del cual obtenernos acero líquido.
• Esta operación se realiza en los hornos convertidores, que funden el arrabio con
otros materiales. Mediante reacciones químicas eliminan las impurezas que no
interesan y controlan el contenido de carbono y de otros materiales, y así pode-
mos obtener el acero de la calidad requerida industrialmente. Este proceso se
realiza en hornos de menor tamaño. Existen dos opciones::
• Convertidor Bessemer: se trata de un horno basculante donde se echa el arra-
bio y los materiales necesarios y, a través de unas toberas, se hace pasar aire a
presión que atraviesa el hierro y le hace perder las impurezas y obtener el acero
deseado.
• Horno eléctrico: se trata de una cuchara basculante donde se echa el arrabio y
los fundentes necesarios para eliminar las impurezas y, a través de unos electro-
dos y de una descarga eléctrica entre ambos, se funde la colada. Posteriormen-
te, se le añaden las aleaciones necesarias para obtener el acero deseado.
Una vez obtenemos el acero deseado, podemos verterlo en colada convencional
o en colada continua:
• Colada convencional: se vierte el acero en moldes llamados lingotes para pro-
cesarlos posteriormente. También se puede verter el acero en un molde con la
forma de la pieza directamente.
• Colada continua: se vierte el acero en un molde con el fondo desplazable, con
la sección transversal del producto deseado. Posteriormente, se laminará para
obtener el producto final.
Estos lingotes, moldes o la colada continua se tratarán con los sistemas de me-
canización, procesos de conformado o de laminado necesarios hasta obtener el
producto deseado.
75
20. Unidad 3 ·Selección del material
Salida de humos
Fundente
Escorias
Cárbon de coque
ATab io 1'"fusión
Biminación del carbono Ainado del acero
~
m
~l2>Colada contínua y larrinado
Colada en ling ote yfu~ado
Colada en m)Id e cerrado
Fig. 3.16. Proceso de obtención del acero.
76
Fig. 3.17.
Estructura del acero.
CARBONO
Es un metaloide,
es decir, un material
con características
externas de un
metal pero que
puede comportarse
indistintamente
como metal
o como elemento
no metálico.
Fig. 3.18.
Estructura de la ferrita.
3.4.1.2. Aleación hierro-carbono
Tal y como hemos comentado antes, el hierro puro no tiene uso industrial, por
tanto, es necesario alearlo con otros elementos para conseguir un material con
aplicaciones industriales. En este caso, se realiza una aleación de hierro-carbono.
Además de estos dos elementos, también tenemos pequeñas cantidades de silicio,
magnesio, azufre y fósforo, entre otros.
En estas aleaciones el carbono lo podemos encontrar en diferentes estados: o bien
en forma de cementita (carburo de hierro), formando ferrita, austenita o marten-
sita disuelto en el hierro; o libre, formando láminas o módulos de grafito.
El carbono es el culpable directo de la dureza de la aleación y, por consecuencia,
de la fragilidad de la misma. En elevadas cantidades la aleación se hace inservible
por su elevada dureza que lo convierte en frágil, y en cantidades muy bajas tam-
bién, por su poca dureza que lo convierte en quebradizvo.
Principales constituyentes de las aleaciones hierro-carbono
Las aleaciones hierro-carbono, al no tener un único elemento en estado puro, sino
que es la mezcla de varios elementos, una vez se solidifican, no se forman redes
cristalinas como hemos visto anteriormente, sino que se crean estructuras no ho-
mogéneas por la existencia de granos de distinta composición, es decir, de estruc-
turas granulares.
Estas composiciones dependen de la temperatura del material, pero empecemos
estudiando la composición a temperatura ambiente. A dicha temperatura los
constituyentes fundamentales de la aleación hierro-carbono son:
• Ferrita. Es uno de los principales constituyentes de los hierros y de los aceros,
y debido a su bajo límite de solubilidad a temperatura ambiente (0,008% de C),
se puede considerar como hierro alfa puro. La ferrita es blanda, poco resistente,
dúctil y magnética, perdiendo esta última propiedad a temperaturas superiores
a 768 oc. En la Figura 3.18 se aprecia su estructura granular.
21. ---------------------------------Unidad 3 · Selección del mater
Fig. 3.19.
Estructura de la perita.
Fig. 3.20.
Estructura de la austenita.
Fig. 3.21 .
Estructura de la martensita.
• Cementita. Es la denominación usual del carburo de hierro (Fe3
C). Forma el
constituyente más duro y frágil de los aceros al carbono. Presenta una com-
posición de 6,67% de carbono y 93,3% de hierro. Es magnética a temperatura
ambiente, perdiendo esta propiedad en torno a los 210 oc.
• Perlita. Es un constituyente eutectoide formado por 86,5% de ferrita y 13,5% de
cementita. Tiene un 0,89% de carbono y se presenta, generalmente, bajo forma
laminar (Figura 3.19L alternando placas de cementita y ferrita. Es más dura y
resistente que la ferrita, pero más blanda y maleable que la cementita.
Otros constituyentes
• Austenita. Es una solución sólida de carbono en hierro gamma. Puede contener
desde Oa 2,11% de carbono. Solo es estable a elevadas temperaturas (cuando
el hierro se transforma en hierro y). Es el componente más denso de los aceros,
no es magnética, comienza a formarse a la temperatura de 723 oc. Cuando se
enfría muy rápidamente un acero de alto contenido en carbono desde una tem-
peratura por encima de la crítica superior se obtiene austenita a temperatura
ambiente; sin embargo, como es poco estable, con el tiempo se descompone,
transformándose en perlita y ferrita, o en cementita y perlita. La propiedad más
importante es su gran plasticidad, por lo que se trabaja fácilmente (forja, estam-
pación, etc.)
• Martensita. Es el constituyente habitual de los aceros templados. Se obtiene
mediante una transformación demasiado rápida de la austenita en hierro, de-
bido a un enfriamiento brusco, lo que origina la aparición de una estructura un
tanto desordenada. Es un constituyente que presenta una gran dureza y resis-
tencia, aunque es poco dúctil y maleable. Suele presentarse en forma de agujas.
• Ledeburita. Es una aleación eutéctica con un 35,5% de Fe y un 64,5% de FeF
Es la que tiene el punto de fusión más bajo. Su principal característica es su gran
fluidez. Sus propiedades mecánicas no son interesantes. Dado su alto contenido
en carbono (4,3%) no es un componente de los aceros, si no de las fundiciones.
Además, existen otros constituyentes como la torostita, la sorbita, la bainita, etc.
Diagrama de hierro-carbono
Como se ha visto anteriormente, el carbono se encuentra en los productos side-
rúrgicos de cuatro formas distintas: en disolución con el hierro gamma, formando
austenita; en menor proporción con hierro alfa, formando ferrita; combinado con
el hierro delta formando cementita; y en estado libre, formando grafito.
El diagrama hierro-carbono representa, de forma gráfica, el diagrama de fases
para el acero y la fundición, en el cual se indican los constituyentes que existen a
cualquier temperatura y para cualquier contenido en carbono cuando la aleación
se enfría y calienta con la suficiente lentitud para que aquellos permanezcan en
estado de equilibrio.
En la figura 18, se muestra un diagrama Fe-Fe3
C (se muestra la parte rica en hie-
rroL sobre el que podemos realizar una consideración. Como se muestra visual-
mente, la temperatura de transformación no es constante y depende del conte-
nido de carbono de la aleación. Veamos qué pasa en unos puntos muy concretos
del diagrama:
• Hierro puro: el hierro puro, al elevar su temperatura, experimenta una serie de
cambios en su estructura cristalina antes de pasar a estado líquido. A tempera-
tura ambiente está en forma estable formando ferrita o hierro a con una estruc-
tura BBC. La ferrita a los 912 oc experimenta una transformación polifórmica a
austenita FFC o hierro y. La austenita se mantiene hasta los 1.394 °C, en lo que
se convierte en una fase BCC conocida como ferrita Bque funde a 1.538 oc. Estas
transformaciones aparecen en el eje izquierdo del diagrama.
• Cementita: también conocida como carburo de hierro, se forma al tener el hie-
rro puro un porcentaje de 6,67% de carbono. Es el punto de partición entre la
7
22. Unidad 3 ·Selección del material
78
Fig. 3.22.
Diagrama
del hierro-carbono.
parte rica en hierro y la parte que va hasta el grafito puro (100% de C). La segun-
da, raramente es utilizada industrialmente.
• 2,11%C: es el punto a partir del cual el acero pasa a llamarse fundición.
Como se mencionó anteriormente, las aleaciones Fe-C más importantes son:
• Aceros (0,1 a 2,11% de C).
• Fundiciones (2,11 a 6,67% de C).
oc•
1·600 - j - - -d-+L-:-IO_U_IDQ-
1.539 oc ,;
1.500 d
d+AUSTENITA
lÍQUIDO
1.400
AUSTENITA CEMENTITA
1.300
1.200
1.100 AUSTENITA
1.000
900
AUSTENITA 1
+
CEMENTITA 1
CEMENTITA
+
PERLITA
+
LIQUIDO
AUSTENITA ..;•
+ H
CEMENTITA ~
+ IDI
w
LEDEBURITA o
w
_J
CEMENTITA
+
PERLITA
CAMBIO MAGNETk o DE LA CEMENTITA
+
LIQUIDO
1.148 oc
CEMENTITA
+
LEDEBURITA
727 °C
CEMENTITA
+
PERLITA
210 oc
---~-,--------_,~--,----,----,----,--~-~
¡;:; %C
<!5
,5 4 C") 5
..,¡3 6
3.4.1.3. Aceros
Clasificación y propiedades
Los aceros son aleaciones hierro-carbono que contienen menos del 2,11% de car-
bono. El acero es un metal de color gris azulado. Su rotura presenta granos regula-
res, de espesor diferente según la calidad:
• Grandes y brillantes en los aceros de poco contenido en carbono.
• Finos y apretados en los aceros de alto contenido en carbono.
El acero, entre otras características, es un material duro y elástico, capaz de ab-
sorber impactos y que puede deformarse y extenderse en forma de alambres o
chapas, de modo que es conformable con la mayoría de sistemas existentes (fun-
dición, moldeo, mecanizado, abrasión, estampación, etc.). De aquí radica la gran
utilización industrial del mismo.
23. ---------------------------------Unidad 3 ·Selección del material
Las piezas utilizadas industrialmente no se pueden fabricar con el mismo tipo de
acero, ya que cada una de ellas necesita unas determinadas características intrín-
secas del uso al que están destinadas. Por ello es necesario alear este acero con
otros elementos para conseguir dicho fin. En el mercado tenemos diferentes tipos
de aceros, que deberemos identificarlos correctamente y que debemos clasificar.
Para clasificar los aceros se utilizan diferentes criterios: según los procedimientos
o procesos de obtención utilizados, atendiendo al grado de desoxidación, según
su contenido en carbono, según su composición, según su aplicación y según su
estado y forma de suministro. Más adelante hablaremos de ello. En general, los
tipos de aceros más comunes son:
• Aceros al carbono. Se denominan también no aleados. Poseen en su composi-
ción hierro, carbono, pequeñas cantidades de manganeso (inferiores al1,6%) y
silicio (inferiores al 0,55%). Como impurezas poseen fósforo y azufre (con con-
tenidos limitados a un máximo de 0,035%). Los aceros al carbono se clasifican
según la cantidad de carbono que contienen.
- Acero de bajo carbono (aceros extrasuaves de 0,1 a 0,2% de Cy aceros suaves
de 0,2 a 0,3% de C). El acero de bajo carbono, a menudo llamado también
acero dulce o suave, contiene entre 0,1 y 0,3% de carbono, insuficiente para
someterse a endurecimiento por temple. Son tenaces, dúctiles y fáciles de
mecanizar, conformar y de soldar. Al ser fácil de soldar, trabajar con máquina
y conformar, resulta adecuado para productos y proyectos en los que se nece-
sita un metal manejable.
- Acero de carbono medio (aceros semisuaves de 0,3 a 0,4% de C y aceros se-
miduros de 0,4 a 0,5% de C). Son resistentes y duros, por lo que necesitan
precauciones especiales a la hora de soldarlos, tales como: tratamientos tér-
micos, materiales de aportación especiales para soldadura, etc. Se usan en
numerosas piezas industriales normalizadas.
- Acero de alto carbono (aceros duros de 0,5 a 0,6% de C y aceros extraduros
de 0,6 a 2,11% de C). Estos aceros requieren condiciones especiales de solda-
dura, puesto que a medida que aumenta la proporción de carbono son más
susceptibles al temple y, por tanto, resultan más duros y resistentes, pero a la
vez son más frágiles. Se utilizan para fabricar pequeñas herramientas u otros
materiales que hayan de someterse a procesos de endurecimiento o temple.
El contenido en carbono es el que determina la dureza, la resistencia y la ductilidad
de los aceros. Cuanto mayor sea el contenido de carbono mayor será la dureza y
la resistencia. Por el contrario, cuanto menor sea el contenido en carbono, mayor
será la ductilidad del acero, pero menor su resistencia y dureza.
• Aceros de aleación. Además de las impurezas normales, contienen otros ele-
mentos metálicos aleados en suficiente cantidad como para alterar sus carac-
terísticas. Fundamentalmente se busca mejorar o modificar según interese: su
tenacidad; resistencia al calor, a la oxidación, al choque, al desgaste, etc. Por
ello, poseen propiedades especiales determinadas por la mezcla y la cantidad
de los elementos que se les añaden, que consiguen que cada acero de aleación
adquiera unas características propias. Entre los principales elementos que se
alean destacan:
- Cromo: incorpora dureza, tenacidad y resistencia al desgaste y la corrosión.
Los engranajes y los ejes a menudo están hechos de acero al níquel y cromo,
por su elevada resistencia.
- Níquel: se añade para aumentar la resistencia y la tenacidad del acero, y ayu-
da también a evitar la corrosión.
- Manganeso: se emplea en los aceros para producir un metal limpio. También
añade resistencia al material y favorece su tratamiento térmico.
- Molibdeno: añade tenacidad y resistencia al acero. Se emplea para fabricar
aceros de alta velocidad.
79
24. --------------------------------Unidad 3 · Selección del mate
obla 3.8.
rueba de la c hispa.
o Prueba de la chispa. Para los materiales ferrosos, la prueba de la chispa nos
ayudará a descubrir la composición específica a través del tipo de chispa gene-
rada. En la siguiente tabla se muestra un resumen de las diferentes chispas y las
características dependiendo del material:
Acero
Acero al carbono
Acero rápido
Acero inoxidable
=undición
bla 3.9.
...
Muchas chispas de
color rojo
1,8 cm, raíz corta con
bifurcaciones, mientras
más alto es el contenido
de carbón, más
numerosas son.
Amarillas
Líneas rectas sencillas, sin
ramificaciones.
Intermitentes de rojo a
rojo oscuro
Pequeñas lineales,
ramificaciones cerca de
las puertas.
~ :,, -, - -, _ ~ -- __¿
--~.-........
, .:.,-· , ·:.~~ -- - ~
Color paja en la base
pasando a blanco
Base pequeña roja
pasando a color paja
1,3 cm, chispa moderada
45 cm
- - _..... ' lú!; -
··-------·~-
Para obtener la chispa, acercaremos el material a una muela de esmeril, de tal
manera que podamos ver el haz de chispas que saldrá del material. Este haz tendrá
tres zonas principales:
- Zona 1: salida de la piedra esmeril. Se compone de los rayos de un color ca-
racterístico.
- Zona 2: bifurcaciones y, en ocasiones, las primeras explosiones.
- Zona 3: aparecen la mayor parte de las explosiones adoptando forma de es-
trella, flores, lenguas, etc.
Dicha observación se realiza mejor en ambientes oscuros.
nsidad de materiales.
o Prueba del peso. Si determinamos el volumen del material, podemos proceder
a pesarlo y llegaremos a descubrir la densidad del mismo y podremos buscar el
material en una tabla de características. En la tabla adjunta podemos observar
algunos materiales:
.cero
.cero inoxidable
.luminio
obre
staño
mdición
..
7,83
2,69
8,97
7,98
7,87
8,58
Manganeso 1,74
Níquel 8,91
Plomo 1,35
Titanio 4,40
Zinc 7,14
25. Unidad 3 ·Selección del material
82
Acero al carbono
• Prueba de la lima. Otra opción para descubrir el tipo de material es intentar li-
marlo. Según la dificultad que ofrezca a este procedimiento y el tipo de limadu-
ras, podremos determinar el grupo al que pertenece el material.
Limaduras fáciles en el metal. lOO
Acero con medio contenido de carbono Limaduras en el metal con presión. 200
Acero para herramienta Limaduras con dificultad. 400
Acero para herramientas endurecido La lima marca con dificultad el material. 500
Tabla 3.10.
Prueba d e limado.
Fundición gris
Fundición blanca
Hierro forjado
Acero alto contenido en
carbono
Acero inoxidable
Cobre
Latón y bronce
Aluminio
Níquel
Plomo
Cobre-níquel (70-30)
Tabla 3.11.
Color de los meta les.
• Prueba del color. Para poder distinguir materiales de diferentes características
podemos ayudarnos del color del material, o de las zonas recién mecanizadas o
fracturadas. En la tabla siguiente se muestra una guía para su búsqueda:
Gris opaco Blanco plateado, cristalino Blanco plateado
Gris opaco Plateado oscuro, cristalino Plateado claro
Gris claro Gris brillante Plateado claro
Gris oscuro Gris claro Plateado brillante
Gris oscuro Gris mediano Plateado brillante
Café a verde rojizo Rojo brillante Cobre brillante
Amarillo-rojo
Amarillo rojizo
Amarillo-verde o Rojo a amarillo
Blanco amarilloso
café
Gris claro Blanco, cristalino fino Blanco
Gris oscuro Blanco Plateado brillante
Blanco gris Gris claro, cristalino Blanco
Gris Gris claro Plateado brillante
• Prueba de la temperatura. También podemos aplicarles una llama con un sople-
te oxiacetilénico con una llama neutra y observar cómo se comporta el material
a medida que aumenta su temperatura:
26. ---------------------------------Unidad 3 ·Selección del material
Fundición blanca
Fundición gris
Hierro forjado
Acero de bajo contenido
en carbono
Acero alto contenido en carbono
Plomo
Aluminio y sus aleaciones
Cobre
Latón y bronce
Aceros inoxidables
Níquel
Tobla3.12.
Comportamiento de los
metales con la te mperatura.
Se convierte en rojo opaco antes de fundirse a una velocidad moderada.
Una vez fundido el material se mantiene sin fluir y, una vez desaparece la llama, toma
algún tiempo para solidificarse.
Se convierte en rojo brillante antes de fundirse a una velocidad elevada.
Se funde rápidamente bajo el soplete cogiendo un color rojo brillante antes
de fundirse.
Se vuelve rojo brillante antes de fundirse rápidamente.
Se funde a temperaturas bajas y sin cambios de color aparentes. El metal fundido es
de color blanco y emana humos dañinos.
Se produce una fundición muy rápida manteniendo el mismo color.
Requiere una gran llama, ya que el material tiene una gran conductividad térmica .
Antes de fundirse coge un color más intenso. Se produce lentamente y se puede
convertir en negro y después en rojo.
Se funden rápidamente cogiendo un color notablemente rojo antes de fundirse.
No son aptos para utilizar este sistema.
Se funde lentamente cogiendo un color rojo antes de fundirse.
Pero si tenemos un taller ordenado, no tendremos este problema, ya que tendre-
mos los metales distribuidos correctamente en diferentes estanterías identifican-
do los materiales mediante dos sistemas de identificación: sistema numérico o
código de color.
Sistemas numéricos
Cada fabricante otorga un nombre comercial a cada uno de sus aceros. Como es
sabido, los aceros deben seguir una serie de normativas en cuanto a la composi-
ción de los mismos, por lo que es necesario establecer una identificación general
para poder identificar el material, independientemente de su fabricante.
Para evitar este inconveniente, el Instituto del Hierro y el Acero (IHA) adopta una
clasificación de los materiales metalúrgicos en cinco grandes grupos:
F: Aleaciones férreas.
L: Aleaciones ligeras.
C: Aleaciones de cobre.
V: Aleaciones varias.
S: Productos sintetizados.
La identificación se realiza mediante un código alfa-numérico. Se inicia con una
de las letras de los cinco grupos vistos anteriormente y se sigue con un código
numérico de cuatro números agrupados en tres secciones: el primer dígito indica
la serie del material; el segundo dígito indica el grupo según las propiedades de
utilización; y los dos dígitos restantes especifican el material. En la tabla adjunta,
se especifica este tipo de identificación para los aceros:
83
27. Unidad 3 · Selección del material
- " . .. . . Pro 1edades' 1 ' . 1 1 ._
1
G!upo Denommac1on Aphcac1ones P
1 Aceros finos al carbono.
Piezas de resistencia media y Son aceros no aleados.
"' buena tenacidad. Al aumentar su contenido enQl
~
Aceros aleados de gran Piezas de gran dureza y resistencia carbono se vuelven más duros yQl
1: 2y3 menos soldabies, pero tambiénQl
resistencia. y buena responsabilidad.bO
"' más resistentes a los choques.o
..... "' Aceros aleados de gran Piezas que requieran grandes Son aptos para tratamientos
" 4~ elasticidad. elasticidades. térmicos para aumentar su
"'c.
resistencia, tenacidad y dureza.
"' Aceros de cementación. Piezas con núcleo resistente.e Sy6 Engloban el acero que cubre laQl
u
mayor parte de las necesidades deel:
Piezas de elevada dureza
7 Aceros de nitruración.
superficial. las piezas industriales.
1 Aceros de fácil mecanización.
Tornillería y piezas mecanizadas
"' en CNC.Ql
ñi
·¡;¡
2 Aceros de fácil soldadura. Piezas soldables.Ql
c. Son aceros aleados para mejorar
"'Ql
Aceros de propiedades Fabricación de imanes y piezas las propiedades que se exigen a
"' 3o
N
"' magnéticas. inductoras. las piezas.
"~ También pueden estar tratados
"' Aceros de dilatación térmica Piezas para trabajos en rangos dec.
4 térmicamente.
"' temperatura de 250 a 500 'C.e concreta.
Ql
u
el:
Aceros resistentes a las Instalaciones que trabajen bajo
S
fluencias. efectos de temperatura.
Piezas sometidas a ambientes Aceros con grandes adicciones
.!!! 1 Aceros inoxidables
> húmedos y corrosivos. de cromo y níquel, a los que se
1:
·o Piezas que trabajan a altas suman otros elementos para otras·¡;¡
"'-e 2 Aceros para válvulas temperaturas y en ambientes propiedades más específicas.·¡¡¡
o
.!!! .g corrosivos. Resistentes a ambientes húmedos,
"'
·¡¡;
a agentes químicos y a altasm
"' eQl
:S....1: u temperaturas.Ql
....
"' Sus aplicaciones están en piezas en·¡¡;
Piezas que trabajan a altas
~ 3 Aceros refractarios
"' temperaturas. ambientes húmedos y corrosivos,
eQl
instrumental quirúrgico y materialu
el:
doméstico como cubertería, entre otros.
Herramientas como martillos,
"' Aceros al carbono para destornilladores, brocas,
"' 1....1:
herramientas herramientas de torno, fresas, Son aceros aleados con tratamientosQl
.E
~ machos de roscar, limas. térmicos que les dan características
Ql
Matricería, punzones, cuchillas, muy particulares de dureza,Ll'l ..<:. Aceros aleados para
~ 2, 3 y4
"' herramientas brocas, hileras, limas. tenacidad y resistencia al desgaste yc.
"' a la deformación por calor.e Herramientas de corte como brocas,Ql
u
el: S Aceros rápidos escariadores, fresas, machos de
roscar, etc.
1 Fundiciones grises
Piezas de maquinaria general con
o cierta responsabilidad. Aceros adecuados para moldeadoQl
-e
Fundiciones maleables de baja mediante moldes de arena, con loo
E 3 Piezasde poca responsabilidad.
•que requieren mucha maleabilidad.~
aleación
co
"' Por lo general, grandes cantidadesc.
Piezas sometidas a cargas con
"'e 4 Fundiciones inoxidables de carbono en su composición (2,11Ql
endurecimientos locales.u
el:
a 6,67%C)
6 Fundiciones nodulares
Piezas de máquinas sometidas a altas
temperaturas.
Tabla 3.13. Identific ación de aceros.
84
33. Unidad 3 · Selección del material
90
..
F5520 T1 0,73·0,83 0,40 máx. 0,45 máx. 3,50-4,50
F5530 T4 0,75·0,85 0,40 máx. 0,45 máx. 3,50·4,50
F5540 T5 0,75-0,85 0,40 máx. 0,45 máx. 3,50-4,50
F5553 1,20-1,35 0,40 máx. 0,45 máx. 3,50·4,50
F5563 T15 1,40·1,55 0,40'máx. 0,45 máx. 3,50·4,50
F5603 M2 0,82·0,92 0,40 máx. 0,45 máx. 3,50·4,50
F5605 M3 1,15·1,30 0,40 máx. 0,45 máx. 3,50-4,50
F5607 M7 0,95·1,05 0,40 máx. 0,45 máx. 3,50-4,50
F5611 M34 0,85-0,95 0,40 máx. 0,45 máx. 3,50·4,50
F5613 M35 0,85-0,95 0,40 máx. 0,45 máx. 3,50·4,50
F5615 M41 1,05-1,50 0,40 máx. 0,45 máx. 3,50-4,50
F5617 M42 1,05·1,20 0,40 máx. 0,45 máx. 1
3,50-4,50
Aceros aleados para herramientas de corte rápido
Serie F5500 y F5600, norma UNE 36-073-75 %P < 0,030; %S< O,QJO
'
0,80·1,20 17,2·18,7 1.260-1.300A 550·580 270 máx. 63 mín.
0,50-0,80 1,10·1,60 17,2·18,7 4,80-,530 1.260-1.300 A 550·580 290 máx. 63 mín.
1,00 máx. 1,30·1,80 17,2-18,7 9,50-10,5 1.260-1.300 A 550-580 290 máx. 64 mín.
3,20-3,90 3,00-3,50 9,0·10,5 9,50-10,5 1.210-1.250 A 540-570 290 máx. 65 mín.
0,70·1,00 4,75·5,55 11,5·13,0 4,70-5,20 1.220·1.260 A 540-570 280 máx. 65 mín.
4,60·5,30 1,70·2,20 5,7-6,7 1.190-1.230 A 530-560 290 máx. 63 mín.
4,60-5,30 2,70-3,20 5,7-6,7 1.200-1.240 A 540-570 290 máx. 64 mín.
8,20-9,20 1,50-2,20 1,5-2,1 1.180-1.220 A 540-570 290 máx. 64 mín.
8,00·9,00 1,75·2,05 1,7·2,2 7,75·8,75 1.180-1.280 A 540-570 270 máx. 63 mín.
4,70-5,40 1,70·2,20 5,7-6,7
1
4,70-5,20 1.200-1.240A 540-570 290 máx. 64mín.
3,50-4,20 1,70-2,20 6,4·7,4 4,50-5,30 1.180-1.220 A 540-570 280 máx. 65mín.
9,00·10,0 0,90·1,40 1 1,3-1,8 7,50·8,50 1.180-1.220 A 520-550 280 máx. 65 mín.
Agua Aceite Aire Horno Sales Límiteelástico Resistencia máxima Alargamiento Resiliencia Dureza Dureza
o 1
Negro Marrón
• •
Tabla 3.14. Composición y propiedades de los aceros.
Código de color
Existe una segunda manera de codificar los materiales de manera más visual y
rápida de identificar para los operarios. Se trata de aplicar un código de coloresen
el extremo de la barra para determinar el tipo de material. Es una práctica muy útil
para diferenciar diferentes tipos de acero en nuestro almacén.
Se trata de un código normalizado de colores, que normalmente se aplica en los
extremos de la barra. Consta de cuatro líneas con la primera de ellas del doble de
anchura que las restantes. En la siguiente tabla vemos la correspondencia de cada
color:
2 3 4 5 6 7 8 9
Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Violeta Gris Blanco
• 1
o o o o o
-
Tabla 3.15. Código de colores para los aceros.
34. - - - - - - - - - -- -- -- - - -- -- - -- - - - - - - - - -Unidad 3 ·Selección del matena
Ejemplo
2. En la figura adjunta tenemos un ejemplo de una barra marcada con el código de colores. Podemos ob-
servar el primer color con un espesor del doble que los demás. Recordamos que este indica el inicio de la
numeración, en este caso la numeración es:
Fig. 3.23.
Estructura de una función.
Marrón+ Rojo+ Verde+ Negro= F1250
-3.5. Fundiciones
Es el segundo grupo de las aleaciones férreas.
Engloba las aleaciones de hierro-carbono, con un porcentaje de carbono superior
al 2,11% y hasta un valor máximo de 6,67%. Además, también contienen con fre-
cuencia otros elementos como el silíceo y manganeso.
Su característica más importante, además de tener un alto contenido en carbono
respecto al acero, es la facilidad que muestra al moldeo, lo que lo convierte en un
material excelente para conseguir piezas a través de este sistema y evitar al máxi-
mo el mecanizado del mismo, aunque este se realiza con facilidad. Es indiferente
el tamaño de las piezas, ya que podemos realizar bancadas de máquinas, pero
también se pueden moldear bancadas de cajas de cambios que posteriormente se
mecanizarán para obtener un ajuste adecuado, por ejemplo.
Las fundiciones, de modo general, presentan una buena maquinabilidad, son du-
ras y quebradizas, lo que hace que las virutas se rompan fáci lmente obteniendo
virutas pequeñas y duraciones de las herramientas mayores. Pero, estas son frá-
giles, poco tenaces, poco maleables, poco dúctiles y difícilmente soldabies, por lo
que son difíciles de trabajar.
Pueden ser aleadas con el fin de obtener un material con mayor dureza, resisten-
cia al desgaste, a la corrosión, etc.
Si las comparamos con su hermano, el acero, estas lo superan en resistencia al
desgaste, capacidad de absorción de vibraciones, cualidades autolubricantes y
resistencia a la oxidación. Por el contrario, el acero presenta mejores cualidades
mecánicas en general. Por ello, las fundiciones son el material elegido para la fa-
bricación de las bancadas de las máquinas.
Según el contenido en carbono de las fundiciones y de su forma de obtención,
podemos realizar diferentes agrupaciones. A continuación mostramos las más im-
portantes:
3.5.1. Según el proceso de elaboración
Si nos basamos en el procedimiento seguido para su obtención, podemos realizar
cinco grupos:
• Fundición de primera fusión o arrabio. Es el metal que sale del alto horno. En
estado líquido se denomina arrabio. Se utiliza para refundir u obtener acero.
• Fundición de segunda fusión. Se obtiene al fundir la fundición de primera fusión
en un horno cubilote con otros elementos para eliminar impurezas y obtener
ciertas características en el metal. Se obtienen piezas por moldeo.
• Fundición dúctil. Se obtiene a través de la fundición gris añadiéndole magnesio,
con lo que se consigue buena fluidez y maleabilidad, además de alta resisten-
cia, tenacidad, conformación en caliente y templabilidad. Se obtienen piezas por
moldeo.
9
35. Unidad 3 ·Selección del material
• Fundición maleable. Se obtiene a partir de fundiciones blancas mediante tra-
tamientos de «maleabilización ». También se somete a procesos de descarbura-
ción. Se obtienen fundiciones con menor dureza y fragilidad y mayor tenacidad,
maleabilidad y alargamiento, excelentes características de moldeabilidad, resis-
tencia a la corrosión para ciertas aplicaciones y uniformidad, puesto que todas
las funciones son tratadas térmicamente. Se obtienen piezas por moldeo.
• Fundición endurecida o templada. Se obtiene al enfriar de forma brusca la fun-
dición gris, con lo que resulta una capa superficial de iguales características a
la fundición blanca (muy dura), quedando el interior de la pieza (enfriado más
lentamente) con mejor tenacidad. Se obtienen piezas por moldeo.
3.5.2. Según su composición
Si nos basamos en su composición química, tenemos tres grupos principales:
• Fundición gris. Se caracteriza porque la mayor parte del carbono que contiene
se encuentra en forma de láminas finas de grafito, debido al alto contenido en
silicio. Presenta una superficie de rotura gris con estructura granular.
Se forma cuando el carbono de la aleación se encuentra en alta proporción, del
2,5 al 4%, y en forma de grafito (figura 23), sin que el hierro haya combinado con
el carbono para formar cementita (debido a un lento enfriamiento desde el estado
líquido), por lo que su dureza es menor. El aspecto de su fractura es gris a causa
del grafito. Tienen menos densidad que las fundiciones blancas. Su aptitud para el
moldeo es superior a la de las blancas y son fáciles de mecanizar. Su resistencia a la
tracción es pequeña. Es un material muy empleado debido a su bajo coste, por no
ser frágiJ y ofrecer una buena resistencia a la compresión y al desgaste. Además,
. dispone de una excelente capacidad autolubricante. Se emplea en gran cantidad
de piezas, como bancadas de máquina herramientas, bloques de motores, etc.
La fundición gris se utiliza en forma de lingotes para la fabricación de fundición de
hierro. En función del porcentaje de carbono se clasifican en:
- Eutectoide o perlítica: con un porcentaje de carbono de 0,80% aproximada-
mente.
- Hipoeutectoide o ferrítica : con un porcentaje de carbono inferior al 0,80%.
- Hipereutectoide: con un porcentaje de carbono superior al 0,80%. A este gru-
po pertenecen las fundiciones atruchadas, de las que hablaremos más ade-
lante.
• Fundición blanca. En dicha fundición todo el carbono, o la mayoría, queda di-
suelto o combinado con el hierro. Se forma cuando la mayor parte del carbono
de la fundición en estado líquido forma carburo de hierro (CFe3), como conse-
cuencia del alto contenido en magnesio, en vez de grafito, al solidificar mediante
un rápido enfriamiento. El aspecto de su fractura es blanca de forma estrellada
debido a la falta de grafito. El contenido de carbono oscila entre el 2,11 y el
6,67% debido al gran contenido en cementita. Estas fundiciones suelen ser muy
duras (por lo que no pueden mecanizarse), aunque muy frágiles y de poca tena-
cidad. Su facilidad para el moldeo es baja. La mayor parte de ellas se emplea en
la elaboración de hierros y aceros, o en aquellas piezas que requieran una gran
dureza superficial o resistencia al desgaste.
En función del porcentaje de carbono se clasifican en:
- Eutécticas: con un porcentaje de carbono de 4,3%.
- Hipoeutécticas: con un porcentaje de carbono inferior al 4,3%.
- Hipereutécticas: con un porcentaje de carbono entre el 4,3% y el 6,67%.
• Fundición atruchada. Las fundiciones atruchadas son una variedad intermedia
entre las fundiciones blancas y las fundiciones grises. Aquí encontramos el car-
36. ---------------------------------Unidad 3 ·Selección del materic:
CORROSIÓN
GALVÁNICA
Proceso electro-
químico que se
produce al entrar
en contacto dos
metales, uno de
ellosnoble, con un
ambiente húmedo,
produciéndose
la corrosión
del conjunto.
bono en forma libre (como láminas de grafito) y combinado (en la cementita).
Generalmente se utilizan en aquellas aplicaciones que no requieren soportar
grandes esfuerzos. Debido a su difícil maquinado, no tienen gran aplicación in-
dustrial.
3.6. Materiales no férricos
Entendemos por materiales no férricos aquellos que no contienen hierro en su
composición, que puede ser aleada con otros elementos o en estado natural, es
decir, químicamente puros.
En general, presentan una buena resistencia a la oxidación, tienen facilidad para
el moldeo y buena maquinabilidad, una elevada resistencia mecánica en relación
a su peso específico, gran conductividad térmica, alta resistencia al desgaste y un
buen acabado.
Es un grupo de materiales de gran importancia y aplicación en el mundo industrial,
bien de forma individual o de forma aleada entre ellos para conseguir materiales
de unas características concretas.
Además de sus características, pueden recibir tratamientos que evitarán operacio-
nes posteriores de acabado e incluso de protección mediante la capa de pintura y
posterior mantenimiento de la misma.
Dentro de este grupo de materiales no férricos, podemos realizar tres agrupacio-
nes: aluminio y sus aleaciones, magnesio y sus aleaciones, titanio y sus aleaciones,
cobre y sus aleaciones y aleaciones de metales pesados: estaño, plomo, cinc, ní-
quel, cadmio, cobalto, molibdeno, silicio, vanadio y wolframio entre otros.
3.6.1. Aluminio y sus aleaciones
El aluminio (Al) es un metal de color gris-blanco brillante, de densidad 2,70 gr/cm3
,
una resistencia de 20 kg/mm2
y punto de fusión de 660 oc. Es ligero, dúctil y ma-
leable, y muy buen conductor del calor y la electricidad. Se moldea fácilmente.
A pesar de una gran afinidad con el oxígeno, es inalterable en el aire, pues se re-
cubre de una delgada capa de óxido (alúmina), que protege al resto de la masa del
ataque de la oxidación. El contacto del aluminio con metales más nobles como el
hierro debe evitarse, debido a que se forman pares galvánicos que destruyen la
capa de alúmina protectora y es sometido, por tanto, a una fuerte corrosión.
En estado puro es un mineral muy blando, por lo que la adicción de ciertos ele-
mentos mejoran algunas propiedades mecánicas, como el límite de elasticidad,
la resistencia a la tracción y la dureza; disminuyendo, en cambio, otras como la
ductilidad, la resistencia a la corrosión, la tenacidad y la conductibilidad térmica y
eléctrica, haciéndolo útil industrialmente.
Algunos elementos añadidos al aluminio son:
• Cobre. Le confiere resistencia mecánica, dureza y facilita su mecanizado.
• Magnesio. Se utiliza para mejorar su ductibilidad y resistencia a impactos.
• Manganeso. Para elevar la dureza y la resistencia.
• Silicio. Para rebajar el punto de fusión y mejorar la colabilidad.
• Zinc. Refuerza su dureza y su resistencia.
El aluminio es un material muy utilizado industrialmente y que subsituye gran can-
tidad de piezas que anteriormente se fabricaban en acero, ya que presenta una
serie de ventajas:
• Peso específico del orden de una tercera parte respecto al acero.
• Material facilmente reciclable. En el proceso se utiliza solo el 5% de la energía
necesaria para obtener aluminio primario.
93
37. ~ Unidad 3 ·Selección del material
94
Fig. 3.24.
Aleaciones de aluminio
para forja.
• Facilidad en el mecanizado por arranque de viruta.
• Material no tóxico.
• Buena resistencia, pero no tan elevada como el acero.
• Buena maleabilidad.
• Buena capacidad de moldeo.
Aleaciones de aluminio
Las aleaciones de aluminio se dividen en dos grupos: aleaciones forjables, donde
encontramos los materiales de gran plasticidad, y aleaciones moldeables o de fun-
dición, donde encontramos los materiales con gran fusibilidad.
• Aleaciones para forja. Además de aluminio, contienen otros elementos, indi-
cados en el gráfico adjunto, que mejoran su resistencia mecánica y permiten
la fabricación de piezas o componentes por procedimientos mecánicos como
la forja, laminación, trefilado, etc. Este tipo de aleaciones suelen admitir trata-
mientos térmicos que modifican sus propiedades.
Las aleaciones de aluminio para forja pueden dividirse en dos grandes grupos:
- Aleaciones de aluminio no tratables térmicamente (no bonificables). Las
aleaciones de aluminio no tratables térmicamente no pueden ser endurecidas
por precipitación y solamente pueden ser trabajadas en frío para aumentar
su resistencia.
- Aleaciones de aluminio tratables térmicamente (bonificables). Al ser trata-
das térmicamente, alcanzan valores más elevados de resistencia y dureza. Las
principales aleaciones de este tipo son:
AIMn
AIMgMn
AIZn
AIMgSI
AICu(SI,Mn)
AICuMg
AIZnMg
AIZnMgCu
AICu(Mg)Li
38. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -Unidad 3 ·Selección del material
Fig. 3.25.
Aleaciones de aluminio
para fundición.
• Aleaciones para fundición. Sus principales componentes son: aluminio-co-
bre, aluminio-cobre-silicio, etc. Normalmente pueden contener otros ele-
mentos como el cinc, magnesio, etc., que favorecen el llenado de los moldes
para facilitar la fabricación de piezas fundidas y mejorar sus propiedades me-
cánicas.
AISi
AIMg
AISiCu
AISiMg
AIMgSi
AICu
AIZnMg
Estas aleaciones se funden principalmente por varios procedimientos, como son:
la fundición en arena, la fundición inyectada y la fundición en coquilla.
3.6.2. Cobre y sus aleaciones
El cobre (Cu) es un metal de color rojizo, de densidad 8.95 gr/cm3
y con un punto
de fusión entre los 1.050 y 1.085 oc. Es un metal muy utilizado, tanto en forma
elemental (no aleado) como combinado con otros metales.
En forma no aleada presenta una serie de excelentes propiedades, como la alta
conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia a la corrosión, facilidad de fa-
bricación, resistencia media a la tensión, propiedades de recocido controlables y
buenas características de soldabilidad.
Es dúctil y maleable en frío, se lima defectuosamente y las piezas moldeables son
de baja calidad. Asimismo, es difícil de moldear por retener gran cantidad de ga-
ses. La adición de cinc (Zn) (entre un 10 y un 40%) aumenta la fusibilidad y las
características mecánicas (dureza, resistencia a la tracción, etc.); a su vez, forma el
componente base para la soldadura autógena heterogénea (soldadura de latón).
Las propiedades mecánicas del cobre favorecen tanto el conformado en caliente
(laminación y forja), como el conformado en frío (laminación en frío, trefilado, etc.).
Aleaciones de cobre
Las aleaciones de cobre más importantes se definen en dos grupos:
• Aleaciones de cobre-zinc (latones). Forman metales de color amarillo claro con
una densidad de 8,4 a 8,6 gr/cm3
y un punto de fusión de unos 950 oc. Estas
aleaciones están formadas por cobre con adiciones de zinc entre el 5 y el 50%.
Son maleables, dúctiles y se pueden pulir fácilmente. Las principales propieda-
des de utilización del latón son:
- Resistencia a la corrosión
- Aptitud a la soldadura por aleaciones plomo-estaño.
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