Seleccion de materiales

1 181 POLITEXT / INGENIER A MEC NICAC arles Riba RomevaUNIVERSITAT POLIT CNICA DE CATALUNYALos objetivos de este texto son pro-porcionar criterios para la selecci n de materiales en el dise o de m quinas y, a la vez, ofrecer una panor mica de los principales materiales empleados en esta disciplina. En l se facilita una estructura com n de tablas de propiedades y se resaltan los aspectos m s caracter s-ticos de la aplicaci n de cada uno de ellos. El contenido se estructura en cuatro cap tulos. El primero trata de los criterios de selecci n; el segundo estudia los materiales f rricos, aceros y fundiciones; el tercero trata de los materiales met licos no f rricos, y el ltimo, de los materiales no met licos (pl sticos, elast meros, materiales compuestos y cer la traducci n de la segunda edici n de la obra original en catal n, revisada y ampliada.)

2 Como novedad b sica respecto a la primera edici n, toma como referencia las normas EN (espe-cialmente en los metales) y/o las ISO, y en un anexo se propor-cionan tablas de equivalencias con las ltimas normas vigentes de los principales pa ses europeos (AENOR, AFNOR, BS, DIN y UNI) y con las normas americanas (ASTM, AISI, etc.) y japo-nesas (JIS). Tambi n se han realizado varias ampliaciones, entre las que cabe destacar la incorporaci n de los recubrimientos y los productos planos de acero recubiertos. Selecci n de materiales en el dise o de m quinas9 788483 017388 ISBN 978-84-8301-738-8 EDICIONS UPCC arles Riba es Doctor Ingeniero Industrial, profesor titular del Departamento de Ingenier a Mec nica de la UPC y director del Centro de Dise o de Equipos Industriales de la UPC (CDEI-UPC), perteneciente a la Red de Centros de Innovaci n Tecnol gica (Xarxa IT) impulsada por la Generalitat de Catalunya.

3 Asimismo, es director del Master en Ingenier a Mec nica y Equipamiento Industrial (EMEI) de la Fundaci UPC, e impulsor y representante de la UPC en el Centro de Innovaci n de los Fabricantes de Bienes de Equipo (CEQUIP). El autor tiene una dilatada experiencia docente y de investigaci n en la teor a y el dise o de m quinas y sistemas, y ha realizado numerosas colaboraciones Riba RomevaSelecci n de materiales en el dise o de m quinasSelecci n de materiales en el dise o de m quinasPOLITEXT 181 Carles Riba RomevaSelecci n de materiales en el dise o de m quinasPOLITEXTEDICIONS UPCP rimera edici n: enero de 2008 Dise o de la cubierta: Manuel Andreu Carles Riba Romeva, 2008 Edicions UPC, 2008 Edicions de la Universitat Polit cnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 1-3, 08034 Barcelona Tel.: 934 137 540 Fax: 934 137 541 Edicions Virtuals: E-mail: ISBN: 978-84-9880-406-5 Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorizaci n escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducci n total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprograf a y el tratamiento inform tico, y la distribuci n de ejemplares de ella mediante alquiler o pr stamo p blicos.

4 PRESENTACI N CARLES RIBA i ROMEVA, SELECCI N de materiales EN EL DISE O DE M QUINAS 5 Presentaci n Una de las actividades m s apasionantes, y a menudo m s complejas, de la ingenie-r a es el proceso de creaci n, o dise o, de una m quina o un producto a partir de unas funciones y de unas prestaciones previamente especificadas. Constituye una materia pluridisciplinaria que incluye, entre otras, la teor a de m quinas y meca-nismos, el c lculo y la simulaci n, las soluciones constructivas, los accionamientos y su control, la aplicaci n de materiales , las tecnolog as de fabricaci n, las t cnicas de representaci n, la ergonom a, la seguridad, la consideraci n de impactos am-bientales y el fin de vida, que se integran en forma de un proyecto. En la versi n original en catal n, este texto forma parte de un conjunto de cinco tra-bajos que tratan el dise o de m quinas desde distintos puntos de vista complemen-tarios (I-Mecanismos; II-Estructura constructiva; III-Accionamientos; IV-Selecci n de materiales ; V-Metodolog a), cada uno de ellos un con tratamiento aut nomo pa-ra ser le do o consultado con independencia de los otros.

5 El objetivo del conjunto de la obra es dar unas orientaciones conceptuales y meto-dol gicas a aquellas personas con formaci n de nivel universitario que, en alg n momento de su actividad profesional, deber n emprender el dise o o la fabricaci n de una m quina o de alg n producto an logo. Esta versi n en castellano del volumen IV trata de la selecci n de materiales para cada una de las piezas o componentes de un conjunto, una de las tareas m s decisi-vas en el dise o de m quinas. Su contenido se reparte en cuatro partes: el cap tulo 1 trata sobre criterios de selecci n (cualitativos y cuantitativos), el cap tulo 2 trata de los aceros y fundiciones, el cap tulo 3 trata de los metales no f rricos (entre otras, las aleaciones de aluminio y cobre), y el cap tulo 4 trata de los materiales no met -licos (pl sticos, elast meros, materiales compuestos y cer micas), complementados en esta nueva edici n por unos anexos de ejercicios y de normativa.

6 Durante los ltimos 50 a os, el dise ador de m quinas ha visto aumentar de for-ma decisiva la disponibilidad de materiales , no tan s lo con la mejora de los ma-teriales tradicionales (aceros, fundiciones, bronces y latones), sino tambi n con el desarrollo de los metales ligeros (especialmente del aluminio), de los aceros in-oxidables, de una gama creciente y cada vez m s t cnicas de pl sticos y elast -meros, de los materiales compuestos e incluso de las cer micas t cnicas. A su vez, la selecci n de materiales ha ido transform ndose en una tarea cada vez m s compleja, dada la necesidad de evaluar de forma ponderada numerosas pro-piedades f sicas (densidad, caracter sticas el ctricas, t rmicas, pticas), qu micas (resistencia a la corrosi n, a las radiaciones), mec nicas (resistencia, rigidez, fati-ga, impacto, fluencia, propiedades deslizantes, desgaste) y tecnol gicas (precio, fabricabilidad, temperaturas de servicio, deterioros, impactos ambientales).

7 El objetivo de este texto es doble: proporcionar criterios para la selecci n de ma-teriales en el dise o de m quinas y, al mismo tiempo, ofrecer una panor mica de los principales materiales usados en esta disciplina, facilitando una estructura com n en las tablas de propiedades y resaltando los rasgos m s caracter sticos de la aplicaci n de cada uno de ellos. Carles Riba, 2010. Edicions UPC, 2010 PRESENTACI N El presente texto es una revisi n de la primera edici n del a o 1997 a la luz de las numerosas normas aparecidas en estos ltimos 10 a os (especialmente las euro-peas EN). Las tablas se basan fundamentalmente en las normas EN y se ha optado por incorporar unos anexos con las principales equivalencias entre las normas EN, las ISO, las normas americanas, las japonesas y las antiguas normas de los principales pa ses europeos.

8 En la primera edici n de esta obra fueron de gran utilidad las normativas (UNE; EN, aunque pocas; ISO; ASTM; DIN), y la documentaci n escrita y las informa-ciones proporcionadas por fabricantes de materiales (Thyssen, Schmidt+Clemens, Du Pont, Hoechst, Bayer, Basf, Cristaler a Espa ola), por casas comerciales su-ministradoras (Urssa, Ausa, Rovalma, Hastinik, Alumafel, Coasol, Macla, Posa), por empresas transformadoras (Fundiciones de Roda, Ames, Industrias Pl sticas Trilla, Gates-Vulca) y por empresas fabricantes de maquinaria y producto (Gir-bau, Derbi, Construcciones Margarit, Ros Roca), especialmente en lo que se re-fiere a la selecci n de materiales incluidos en las tablas y a las recomendaciones para su uso. En esta segunda edici n, adem s de las normas (fundamentalmente EN, ahora mucho m s desarrollada, e ISO) y la consulta de nuevas empresas (Tra-tamientos T rmicos Carreras, Molfisa), se ha obtenido un gran volumen de infor-maci n directamente de internet (Arcelor-Mittal, ThyssenKrupp, Corus, Salzgitter, USS, Euralliage, AluSelect, Kuperinstitut, International Zinc Assotiation, Key-to-Metals, OTUA, eFunda, IDES, Campus, MatWeb, Maryland Metrics y Global Spec entre otras).

9 Quiero agradecer las opiniones y criterios de muchos profesores compa eros de la Universitat Polit cnica de Catalunya, especialmente de los Departamentos de Ingenier a Mec nica (Josep Fenollosa Coral, Adri Candal Ch fer, Albert For-tuny Garcia y Jordi Mart nez Miralles), Ingenier a Qu mica (Josep M. Fern ndez Santin) e Ingenier a de materiales (Jos Manuel Prado Pozuelo, Antoni Mart nez Benasat, Jordi Tartera Barrabeig, Antonio Herrero Palomo y Maria Llu sa Mas-poch Ruldua) de la Escola T cnica Superior d Enginyeria Industrial de Barcelo-na, as como el intercambio diario con los numerosos colaboradores del Centre de Disseny d Equips Industrials de la Universitat Polit cnica de Catalunya, CDEI-UPC, que dirijo y, de forma destacada con Carles Dom nech Mestres, S nia Llo-rens Cervera, Judit Coll Ra ch, Hu scar Paz Bernales, Elena Blanco Romero y Andreu Presas Renom.

10 En la elaboraci n de la primera edici n de la obra colaboraron Oriol Adelantado Nogu , siguiendo las vicisitudes de los trabajos desde el inicio, y Guillermo de Miguel Gamb s, realizando las figuras. En esta segunda edici n revisada ha cola-borado Jordi Fabra Sales en la b squeda de informaci n y la elaboraci n de ta-blas y, en la traducci n al castellano, han intervenido, adem s del propio autor, Valentina Kallewaard E., David Cort s Saenz, David Mart nez Verd y Jordi Fa-bra Sales. Finalmente, quisiera agradecer nuevamente el apoyo y comprensi n que han mos-trado mi esposa Merc Renom Pulit y mis hijas e hijos Martina, Nolasc y Joana. 6 CARLES RIBA i ROMEVA, SELECCI N de materiales EN EL DISE O DE M QUINAS Carles Riba, 2010. Edicions UPC, 2010 NDICE CARLES RIBA i ROMEVA, SELECCI N de materiales EN EL DISE O DE M QUINAS 7 NDICE Presentaci n 5 1 Criterios de selecci n Introducci n 11 Car cter concurrente 11 Los materiales en el dise o de m quinas 12 Propiedades f sicas 15 Densidad 15 Propiedades pticas 15 Propiedades t rmicas 16 Propiedades el ctricas y magn ticas 17 Propiedades mec nicas 19 Ensayos de rotura 19 Ensayos superficiales 23 Criterios de dise o 28 Propiedades tecnol gicas 29 Coste.