Fundamentos de Materiales y Procesos de Fabricación: Polímeros, Metales y Solidificación

Flujos de Material y Procesos de Fabricación

Estados del Material en Flujo

El estado del material puede ser sólido, granular, líquido o semisólido.

Categorías de Procesos

• Mecánicos: Deformación plástica, fractura frágil o dúctil, flujo, deformación elástica.
• Térmicos: Fundición, solidificación, condensación, calentamiento, enfriamiento, evaporación.
• Químicos: Solución/disolución, combustión, endurecimiento, precipitación, transformación de fase.

Tipos de Flujo

• Flujo directo: La masa del objeto de entrada en el proceso es la misma que la del objeto de salida.
• Flujo divergente: La masa del objeto de entrada se divide en dos, uno de los cuales puede ser el producto de desecho.
• Flujo convergente: El proceso une dos objetos diferentes para formar uno solo a la salida.

Tipos de Conformado

• Libre: La herramienta u operario no contiene información geométrica alguna de la pieza final.
• Bidimensional: Para generar una superficie bidimensional se requieren al menos dos movimientos relativos entre la herramienta y la pieza.
• Unidimensional: El medio de transferencia contiene una generatriz, que puede ser una línea o una superficie a lo largo de una línea.
• Total: El medio de transferencia contiene toda la información geométrica de la superficie final, lo que significa que no se necesita ningún movimiento relativo.

Clasificación y Propiedades de los Polímeros

Tipos de Polímeros

Termoplásticos

Pueden ser recalentados y reformados varias veces sin cambios significativos. Se ablandan y aplastan, y su estructura es mayoritariamente lineal, con o sin ramificaciones. Ejemplos: polietileno (bolsas), cloruro de vinilo (PVC), polipropileno, poliestireno, ABS, acrílicos (PMMA), fluoroplásticos (Teflón).

Termoestables

Se fabrican por reacciones químicas. No se pueden refundir ni almacenar y son duros y rígidos. Existen numerosas reticulaciones entre cadenas. Ejemplos: resinas fenólicas, resinas epoxi, poliésteres insaturados, ureas y melaninas.

Elastómeros

Tienen extraordinarias deformaciones elásticas, pudiendo recuperar su forma original total o parcial cuando cesa la fuerza. Su estructura es reticulada. Ejemplos: caucho natural, sintéticos y de silicona.

Envejecimiento de los Polímeros

La degradación y el envejecimiento de los polímeros se produce por agentes atmosféricos, el calor, la luz ultravioleta y la absorción de energía radiante luminosa. Este efecto es más pronunciado cuanto menor es la longitud de onda, siendo el efecto más pronunciado el debido a los rayos UVA, que produce decoloración y fragilidad sobre el polímero.

Metales y Aleaciones: Tipos y Propiedades

Aceros Inoxidables

• Inoxidables ferríticos
• Inoxidables martensíticos
• Inoxidables austeníticos

Fundiciones

Son una familia de aleaciones férreas con una gran variedad de propiedades y con contenidos en carbono superiores al 2.1%.

Tipos de Fundición

• Fundición Blanca: Tiene el carbono en forma de cementita. Posee una mayor resistencia al desgaste y a la abrasión, pero presenta baja tenacidad.
• Fundición Gris: El carbono se encuentra en forma de hojuelas de grafito. Se caracteriza por su bajo costo, excelente capacidad de mecanización, buena resistencia al desgaste y una excelente capacidad de amortiguar vibraciones.
• Fundición Esferoidal
• Fundición Maleable

Aleaciones de Titanio

• Titanio comercialmente puro
• Titanio alfa
• Titanio beta
• Titanio alfa + beta

Principios de Metalurgia y Solidificación

Estructuras Cristalinas y Fases

La estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) del hierro alfa (Fe-α) no tiene planos compactos, por lo que son metales más duros e indeformables.

La ferrita proeutectoide es la que se forma antes de la isoterma y del punto eutéctico, mientras que la ferrita eutectoide surge atravesando la línea isoterma.

Proceso de Solidificación

Un metal puro tiene un punto de fusión determinado, mientras que una aleación binaria sufre un intervalo de solidificación.

Nucleación

• Nucleación homogénea: Tiene núcleos primarios formados por una agrupación atómica reticular.
• Nucleación heterogénea: Tiene núcleos extraños y su origen es la agrupación de átomos de distinta naturaleza.

Solidificación en Lingoteras

El proceso se divide en tres zonas:

1. Zona de enfriamiento rápido: Se da gracias al contacto con las paredes del molde.
2. Zona de enfriamiento lento: Caracterizada por granos columnares.
3. Zona de enfriamiento equiaxial: Formada por granos equiaxiales.

Mecanismos de Crecimiento Cristalino

Crecimiento Planar

Ocurre con un enfriamiento lento. La temperatura se eleva según nos movemos de la intercara hacia el líquido. Si el líquido contiene pequeñas partículas (ajenas o no al metal), al enfriarlo, la temperatura del líquido es mayor que la del sólido.

Crecimiento Dendrítico

Al pasar de estado líquido (L) a sólido (S), se desprende calor latente de solidificación. La temperatura de la intercara aumenta y se forman unas puntas cristalinas llamadas dendritas.

Conceptos Físicos Fundamentales

Trabajo

Cantidad escalar igual al producto de la magnitud del desplazamiento y la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento.

Energía Cinética

Aquella que tiene un cuerpo en virtud de su movimiento.

Energía Potencial

Es la energía que tiene un sistema en virtud de su posición o condición.