Fundamentos de Tecnología Industrial: Propiedades, Ensayos, Motores y Ciclos

Fundamentos de Tecnología Industrial

Propiedades de los Materiales

• Elasticidad: Capacidad de un material para deformarse temporalmente y recuperar su forma original al eliminar la carga.
• Plasticidad: Propiedad de un material para deformarse de manera permanente bajo carga, conservando su nueva forma.
• Cohesión: Fuerza interna que mantiene unidos los átomos o moléculas en un material, determina su resistencia a la separación.
• Dureza: Resistencia de un material a ser rayado, penetrado o deformado localmente.
• Tenacidad: Capacidad de un material para absorber energía sin romperse, resistiendo impactos y deformaciones.
• Fragilidad: Propensión de un material a romperse sin deformación significativa bajo carga.
• Resistencia a la fatiga: Capacidad de un material para resistir ciclos repetitivos de carga y descarga sin fallar.
• Resiliencia: Capacidad de un material para absorber energía durante la deformación y recuperar su forma original al liberar la carga.

Diagrama de Tracción

• Zona Elástica (OE): Representa la fase inicial donde el material se deforma temporalmente de manera proporcional a la carga aplicada. En esta zona, el material experimenta deformaciones reversibles.
• Zona Proporcional (OP): En esta fase inicial, el acero se comporta de manera elástica, con una relación lineal entre el esfuerzo y la deformación.
• Zona no Proporcional (PE): Fase donde el acero experimenta una fase de fluencia, donde la relación esfuerzo-deformación ya no es lineal, y comienza a deformarse de manera plástica.
• Zona Plástica (ES): Sigue a la zona elástica y muestra la deformación permanente del material. Aquí, la deformación es irreversible, pero la carga sigue aumentando.
• Zona Límite de Rotura (ER): Representa el punto máximo al que el material puede llegar antes de la fractura. Aquí, la carga y la deformación son máximas.
• Zona de Rotura (RS): La fase final donde el material se rompe o fractura. La carga disminuye rápidamente y la deformación es repentina, marcando el final de la vida útil del material.

Motores de Combustión

Motores de combustión externa: Son aquellos en los que el calor desprendido al quemarse el combustible es transmitido a un fluido que produce la energía mecánica a través de una máquina (Máquinas de vapor, …)

Motores de combustión interna: La combustión se produce en una cámara interna al propio motor, y son los gases generados los que causan, por expansión, el movimiento de los mecanismos del motor (Motores de explosión, motores diésel, …)

Motores alternativos: En los cuales el fluido de trabajo actúa sobre pistones dotados de movimiento alternativo de subida y bajada.

Motores rotativos: En los que el fluido actúa sobre pistones rotativos o sobre turbinas.

Ensayos Técnicos

• Brinell: Mide la resistencia de un material a la penetración de una bola de acero endurecido. Se aplica una carga y se mide la huella dejada por la bola en la superficie del material. La dureza se expresa como la relación entre la carga aplicada y el área de la huella, dando una medida de la resistencia general del material a la deformación plástica.
• Vickers: Implica la aplicación de una carga a través de un diamante con forma de pirámide de base cuadrada. La dureza se calcula dividiendo la carga aplicada por el área de la huella en la superficie del material. Es adecuado para una amplia gama de materiales y proporciona resultados precisos tanto en materiales duros como blandos.
• Rockwell: Mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga constante, realizado en dos etapas: una carga mayor seguida de una carga menor. La dureza se expresa como un número que representa la profundidad de penetración. Es rápido y fácil de aplicar, pero menos preciso que otros métodos. Se utiliza para materiales blandos y duros.
• Resiliencia: Mide la capacidad de un material para absorber energía antes de fracturarse bajo impacto, indicando su tenacidad. El Péndulo de Charpy es comúnmente utilizado, donde un péndulo golpea una probeta y se mide la energía absorbida.
• Fatiga: Evalúan la resistencia de un material a fallar bajo cargas cíclicas repetitivas, fundamentales para el diseño de componentes en aplicaciones dinámicas. Algunos ejemplos son el ensayo de flexión rotativa, donde se somete una muestra a movimientos rotativos repetitivos, y el ensayo de torsión, que implica aplicar una carga torsional repetitiva a una muestra cilíndrica.

Tratamientos Térmicos y Superficiales

• Temple: Calentar un material y luego enfriarlo rápidamente para aumentar su dureza y resistencia, mediante la formación de martensita.
• Recocido: Calentamiento controlado seguido de un enfriamiento gradual para reducir la dureza y mejorar la maquinabilidad, ductilidad y tenacidad del material.
• Normalizado: Calentamiento seguido de un enfriamiento al aire para mejorar la uniformidad estructural y eliminar irregularidades, reduciendo la dureza y mejorando la maquinabilidad.
• Revenido: Calienta el material templado seguido de un enfriamiento controlado para reducir la fragilidad, mejorar la tenacidad y aliviar tensiones internas, manteniendo una buena resistencia.
• Cementación: Introduce carbono en la superficie del material a altas temperaturas para aumentar su dureza superficial, mejorando la resistencia al desgaste.
• Carbonitruración: Similar a la cementación, pero introduce simultáneamente carbono y nitrógeno para mejorar la dureza superficial, resistencia al desgaste y fatiga.
• Nitruración: Introduce nitrógeno en la superficie del material para formar una capa de nitruros que aumenta significativamente la dureza, resistencia al desgaste, corrosión y fatiga.

Ciclo de Carnot

Es un modelo ideal de un motor térmico que opera de manera reversible entre dos fuentes de calor, una caliente y otra fría, utilizando un gas ideal. Este ciclo es teóricamente el más eficiente posible para una máquina térmica que opera entre dos temperaturas dadas.

Descripción del Ciclo de Carnot:

• T1. Compresión Isotérmica: El gas se comprime isotérmicamente a alta temperatura (fuente caliente). Durante esta etapa, el gas absorbe calor de la fuente caliente (Qc) y realiza trabajo sobre el sistema.
• T2. Expansión Adiabática: El gas se expande adiabáticamente, es decir, sin intercambio de calor con el entorno. Durante esta etapa, el gas realiza trabajo sobre el sistema y se enfría.
• T3. Expansión Isotérmica: El gas se expande isotérmicamente a baja temperatura (fuente fría). Durante esta etapa, el gas realiza trabajo sobre el sistema y libera calor hacia la fuente fría (Qf).
• T4. Compresión Adiabática: El gas se comprime adiabáticamente. Durante esta etapa, se realiza trabajo sobre el gas, aumentando su temperatura.

Motores de Combustión Interna Alternativos (MCIA)

• Rotativos: Utilizan un diseño rotativo con un rotor triangular dentro de una carcasa, creando tres cámaras de combustión.
• Alternativos: Los pistones se desplazan hacia adelante y hacia atrás dentro de cilindros, generando el movimiento alternativo que impulsa el motor.

Motores de explosión 2T y 4T:

• 2T: Realizan un ciclo completo en dos movimientos del pistón (una revolución del cigüeñal), incluyendo admisión, compresión, combustión y escape. La lubricación se logra mediante la mezcla de aceite con el combustible.
• 4T: Completan un ciclo en cuatro movimientos del pistón (dos revoluciones del cigüeñal), con etapas de admisión, compresión, combustión y escape. Requieren un sistema de lubricación independiente y tienen una mayor eficiencia que los motores de dos tiempos.

Motores de Encendido Provocado (MEP)

En estos motores, la mezcla de aire y combustible se comprime en la cámara de combustión. La ignición se inicia mediante una bujía que produce una chispa eléctrica. Son comúnmente utilizados para motores de gasolina, aunque también pueden utilizarse con algunos combustibles alternativos. Se basan en el ciclo Otto de cuatro tiempos o el ciclo de dos tiempos, dependiendo del diseño del motor.

Motores de Encendido por Compresión (MEC)

En estos motores, la ignición se produce por la alta temperatura generada durante la compresión del aire en la cámara de combustión. No se utiliza una chispa externa. Suelen funcionar con diésel, que tiene una mayor resistencia a la ignición espontánea debido a su mayor punto de inflamación en comparación con la gasolina. Se basan en el ciclo Diésel de cuatro tiempos.

Instalación Frigorífica

Es un dispositivo que realiza el ciclo de refrigeración, extrayendo calor de un espacio y liberándolo en otro. Los componentes principales de una máquina frigorífica típica son:

• Compresor: Comprime el refrigerante gaseoso, aumentando su presión y temperatura. Esto provoca que el refrigerante se desplace hacia el siguiente componente.
• Condensador: En él, el refrigerante liberará calor al ambiente circundante (aire o agua), convirtiéndose de gas a líquido a alta presión. Este proceso expulsa el calor del sistema.
• Válvula de Expansión: Regula el flujo del refrigerante del condensador al evaporador. Reduce la presión y la temperatura del refrigerante, preparándolo para entrar en el evaporador.
• Evaporador: En él, el refrigerante líquido se expande rápidamente y absorbe calor del espacio que se desea enfriar. El refrigerante se convierte en gas durante este proceso.
• Unidad Motriz: Proporciona la energía necesaria para el funcionamiento de la máquina frigorífica.

Bomba de Calor

Es un dispositivo que utiliza un ciclo termodinámico para transferir calor de un lugar a otro. Su función principal es transferir calor desde una fuente de baja temperatura a una fuente de alta temperatura, o viceversa. Puede utilizarse para calefacción o refrigeración, dependiendo de la dirección del flujo de calor.