Fundamentos de la Tecnología Industrial: Propiedades, Motores y Termodinámica

Propiedades Mecánicas 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.

Análisis de un 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.

Ensayos Técnicos

Ensayo de Dureza 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 Brinell se expresa como la relación entre la carga aplicada y el área de la huella, proporcionando una medida de la resistencia general del material a la deformación plástica.

Ensayo de Dureza 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. Este método es adecuado para una amplia gama de materiales y proporciona resultados precisos en materiales duros y blandos.

Ensayo de Dureza Rockwell: El ensayo de dureza Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador (generalmente una bola de acero o un cono de diamante) bajo una carga constante. Se realiza en dos etapas: una carga mayor seguida de una carga menor. La dureza Rockwell se expresa como un número que representa la profundidad de penetración. Es una prueba utilizada debido a su rapidez y facilidad de aplicar, pero es menos preciso que los otros. Es válido para materiales blandos y duros.

Ensayo de Resiliencia: Es un ensayo que mide la capacidad de un material para absorber energía antes de fracturarse bajo impacto, indicando su tenacidad. La máquina más utilizada es el Péndulo de Charpy, que consiste en: un péndulo golpea una probeta, midiendo la energía absorbida y proporcionando información sobre la resistencia al impacto del material.

Ensayos de Fatiga: Los ensayos de fatiga evalúan la resistencia de un material a fallar bajo cargas cíclicas repetitivas. Las probetas son sometidas a fluctuaciones de carga para simular las condiciones de largo plazo. Son fundamentales para el diseño de componentes en aplicaciones dinámicas. Algunos ejemplos son:

• Flexión Rotativa: En este ensayo, una muestra se sujeta en ambos extremos y se somete a flexión rotativa, un movimiento rotativo repetitivo.
• Torsión: El ensayo de torsión implica aplicar una carga torsional repetitiva a una muestra cilíndrica.

Tratamientos Térmicos y Superficiales

Temple: Es un tratamiento térmico que implica calentar un material, como el acero, a una temperatura crítica y luego enfriarlo rápidamente, generalmente sumergiéndolo en agua o aceite. Este proceso busca incrementar la dureza y la resistencia del material al inducir una transformación estructural llamada martensita.

Recocido: Es un tratamiento térmico que implica el calentamiento controlado de un material, como metales o aleaciones, seguido de un enfriamiento gradual. El objetivo principal es reducir la dureza y mejorar la maquinabilidad, ductilidad y tenacidad del material.

Normalizado: Es un tratamiento térmico que implica el calentamiento de un material a una temperatura crítica, seguido de un enfriamiento al aire en condiciones controladas. El objetivo principal es mejorar la uniformidad de la estructura del material y eliminar las irregularidades.

Globulización: Es un fenómeno observado en materiales poliméricos amorfos durante el proceso de calentamiento y enfriamiento. Ocurre cuando las cadenas moleculares del polímero se agrupan y forman esferas o gránulos llamados glóbulos.

Revenido: Es un tratamiento térmico que consiste en calentar el material previamente templado, seguido de un enfriamiento controlado. El objetivo es reducir la fragilidad inducida por el temple, mejorar la tenacidad y aliviar las tensiones internas.

Cementación: Es un tratamiento térmico químico que implica la introducción de carbono en la superficie de un material, generalmente acero de bajo contenido de carbono, a altas temperaturas en presencia de un material carbonáceo.

Carbonitruración: Es un tratamiento térmico químico similar a la cementación, pero implica la introducción simultánea de carbono y nitrógeno en la superficie del material.

Nitruración: Es un tratamiento térmico químico en el que se introduce nitrógeno en la superficie de un material a temperaturas elevadas. Esto forma una capa superficial de nitruros que mejora significativamente la dureza y la resistencia al desgaste del material.

Ciclos Termodinámicos

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.

Descripción del Ciclo de Carnot:

• Compresión Isotérmica: El gas se comprime isotérmicamente a alta temperatura (fuente caliente).
• Expansión Adiabática: El gas se expande adiabáticamente, es decir, sin intercambio de calor con el entorno.
• Expansión Isotérmica: El gas se expande isotérmicamente a baja temperatura (fuente fría).
• Compresión Adiabática: El gas se comprime adiabáticamente.

Motores Térmicos

Según el lugar de la 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, …)

Según la forma en la que se obtiene la energía mecánica:

• 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.
• Motores de Chorro: En los que el fluido es el encargado de producir el empuje por el principio de acción y reacción.

Motores de Combustión Interna Alternativos (MCIA)

Rotativos: Estos motores utilizan un diseño rotativo en lugar del movimiento alternativo de pistones en un cilindro.

Alternativos: En estos motores, los pistones se mueven hacia adelante y hacia atrás dentro de cilindros, generando el movimiento alternativo que impulsa el motor.

Motores de Explosión 2T y 4T

Motores de Explosión a Dos Tiempos: Un ciclo completo (admisión, compresión, combustión y escape) se realiza en dos movimientos del pistón, que equivalen a una revolución completa del cigüeñal.

Motores de Explosión a Cuatro Tiempos: Un ciclo completo (admisión, compresión, combustión y escape) se realiza en cuatro movimientos del pistón, que equivalen a dos revoluciones completas del cigüeñal.

MCIA: Motores de Encendido Provocado y Motores de Encendido por Compresión

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.

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.

Instalación Frigorífica

Es un dispositivo que realiza el ciclo de refrigeración, extrayendo calor de un espacio y liberándolo en otro.

Componentes Principales:

• Compresor: Comprime el refrigerante gaseoso.
• Condensador: El refrigerante libera calor al ambiente.
• Válvula de Expansión: Regula el flujo del refrigerante.
• Evaporador: El refrigerante absorbe calor del espacio a enfriar.
• Unidad Motriz: Proporciona la energía para el funcionamiento.

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.