Materiales de Ingeniería total 15
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Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM Mauricio Gaviria González 1
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM Mauricio Gaviria González 2
Bibliografía
ASKELAND, Donald R y PHULE, Pradeep P. Ciencia e ingeniería de los materiales. 4 ed. México. Thomson, 2004. 1004p
SHACKELFORD, James F. Ciencia de materiales para ingenieros. 3 ed. México. Prentice Hall, 1995. 794 p
SHACKELFORD, James F. Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros. 6 ed. Madrid: Pearson Education,
2005; Prentice Hall. 839p
SCHAFFER, James P y SAXENA, Ashok. Ciencia y diseño de materiales para ingeniería. 1 ed. México: Compañía
Editorial Continental, 2000. 796p
SMITH, William F y HASHEMI Javad. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. 4 ed. México: McGraw Hill,
2006. 1032 p
LESKO, Jim. Diseño industrial: guía de materiales y procesos de manufactura. México: Limusa -Wiley, 2007. 217p
VELEZ MORENO, Ligia Maria. Materiales Industriales: teoría y aplicaciones. 1 ed. Medellín: Instituto Tecnológico
Metropolitano, 2008. 238p
MARTIN, J. W. Materials for engineering. 3 ed. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2006. 252 p
Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys, Vol 1, ASM Handbook, 1990
Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, Volume 2, ASM Handbook, 1990
Materials Selection and Design, Volume 20, ASM Handbook, 1997
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM Mauricio Gaviria González 3
El uso de los materiales a través de la historia
Importancia relativa de los materiales a través de los años
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 4 Mauricio Gaviria González
Materiales de Ingeniería -
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Producción mundial de algunos materiales
Materiales de Ingeniería -
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Propiedades Mecánicas
Ensayo de tracción
Materiales de Ingeniería -
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Ensayo de tracción
Materiales de Ingeniería -
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Ensayo de tracción, metales
Materiales de Ingeniería -
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Ensayo de tracción, polímeros
Materiales de Ingeniería -
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Ensayo de tracción, cerámicos
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Ensayo de flexión
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Ensayo de dureza
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Tabla de conversión de dureza
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Dureza de algunos materiales
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Ensayo de impacto
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Ensayo de compresión
Probeta para el ensayo Máquina para el ensayo
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Abarrilamiento
Gráfica esfuerzo vs deformación
Materiales de Ingeniería -
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Distribución de
esfuerzos según
la carga aplicada
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Diseño Industrial - ITM Mauricio Gaviria González 19
Ejemplos de aplicación
de las propiedades de
los materiales
Materiales de Ingeniería -
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Ejemplos de aplicación
de las propiedades de
los materiales
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Ejemplos de aplicación
de las propiedades de
los materiales
Diagrama de fases
hierro - cementita
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Aceros
Ferrita/Hierro alpha/BCC
Magnética
Austenita/Hierro gamma/FCC
No magnética
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Relación diagrama de fases y estructura cristalina
Representación esquemática de la micro estructura de un
acero eutectoide. AISI/SAE 1077 (1080)
Fase clara: láminas ferrita – alpha
Fase oscura: cementita, carburo de hierro,
Fe3C
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Representación esquemática de la micro estructura de un acero
hipoeutectoide
Fotomicrografía de un acero AISI/SAE 1038
Fase clara: ferrita
Fase oscura: perlita
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Representación esquemática de la micro estructura de un acero
hipereutectoide
Fotomicrografía de un acero con 1,4 %C
Fase clara: cementita
Fase oscura: perlita
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Acero al carbono Aleación hierro y carbono
Bajas cantidades de Mn, Cu, Si y P
Aceros aleados Cr, Mo, Ni, V, Al, Co, Nb (Columbio), Ti, W, Zr
1, 65% Mn, 0,60% Si, 0,60% Cu
Aceros inoxidables
Aceros para herramientas
Definición: contienen una cantidad modesta de elementos de
aleación y que dependen de un tratamiento térmico para
alcanzar su máxima resistencia mecánica
Aceros inoxidables Desde 0,08% C hasta 0,15% C
Alta resistencia a la corrosión, manteniendo su brillo y su
resistencia mecánica
Mínimo 10,5% Cr, óxido de cromo impermeable
Alto % Ni y Mo
AISI, American Iron and Steel Institute, por conformado
ACI, Alloy Casting Institute, por vaciado
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Aleaciones Férricas
Aceros
C < 2.11%
Débilmente Aleados
Elementos aleantes en
menos del 5%
Aleados
Al menos un elemento Aleante con mas del 5%
No inoxidables
Inoxidables
Fe + C + Cr (mínimo 10%)
Austeníticos
Fe + (0.02 a 0.1)%C + (16 a 28)%Cr +(6 a 32)%Ni
Ferríticos
Fe + (0.015 a 0.08)%C
+ (10 a 30)%Cr
Martensíticos
Fe + (0.08 a 1.2)%C + (12 a 19)%Cr
No aleados
Fundiciones
2.11% < C <6.67%
Otros tipos
Austeníticos al Cr, Mn, Ni
Austeno – Ferríticos (Duplex, Bifásicos o Dual Phase
Endurecidos por Precipitación (Precipitation Hardening, PH)
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Primer digito Acero aleado al:
1 C
2 Ni
3 Ni – Cr
4 Mo, Cr – Mo, Ni – Mo, Ni – Cr -Mo
5 Cr
6 Cr – V
7 W – Cr
8 Ni – Cr – Mo
AISI: American Iron and Steel Institute
SAE: Society of Automotive Engineers
Especificación AISI/SAE para algunos aceros
AISI/SAE XXXX
Designación de la serie Grupos
2xx Cr – Ni – Mn, no endurecibles, austeníticos,
no magnéticos
3xx Cr – Ni, no endurecibles, austeníticos, no magnéticos
4xx Cr, endurecibles, martensíticos, magnéticos
4xx Cr, no endurecibles, ferríticos, magnéticos
5xx Bajo % Cr, resistentes al calor
Sistema de numeración de tres dígitos, AISI, obtenidos por conformado
Película pasiva de óxido de cromo (o de níquel)
Impermeable a los agentes corrosivos
Invisible
Muy delgada
Adherente
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Diagrama de una sección transversal para aceros con 12% Cr
Susceptible a tratamiento térmico
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Diagrama de una sección transversal para aceros con 18% Cr
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Tratamientos térmicos de los aceros inoxidables Recocido de solubilización
Recocido de eliminación de tensiones
Sensibilización
Estabilización
Recristalización
Temple
Envejecimiento
Tratamientos térmicos Combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de
tiempos determinados, aplicados a un metal (puro o aleación), en
estado sólido, que generen la transformación o descomposición
de la austenita para que produzca las propiedades deseadas
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Tratamiento térmico de envejecimiento
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Endurecimiento por envejecimiento
Endurecimiento por precipitación
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Estructuras cristalinas
Estructura de la martensita
Aceros inoxidables ferríticos, 4XX Desde 12% Cr hasta 30% Cr
No se endurecen por tratamiento térmico
Se endurecen levemente por trabajo en frío
Susceptibles a tratamiento térmico de recocido, alta ductilidad y
resistencia a la corrosión (50% más alta que en los aceros al carbono)
Se pueden trabajar en frío o en caliente
% Ni es cero
Decoración, lavaplatos, tubos de escape
Tratamiento térmico Recocido únicamente
Aliviar tensiones (por trabajo en frío o por soldadura)
Fragilidad por permanecer alto tiempo entre 400°C y 510°C
Se recomienda el recocido por encima de 510°C y a una
temperatura superior a la que se pudiera encontrar austenita
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AISI/SAE Aplicación
430 Propósito general, fines decorativos, tanques para ácido nítrico
430F % S, fácilmente maquinable, tornillos
430Se %Se, trabajo en caliente o en frío
442 Piezas de hornos, cámaras de combustión, toberas
446 Alta resistencia a la corrosión, baja resistencia mecánica, válvulas
405 Buena soldabilidad, buena resistencia al calor
Aceros inoxidables
ferríticos
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AISI %C %Cr %Ni %Mo %Si %Mn %N %Pmáx %S
430 <0,13 16 a 18
Aceros inoxidables martensíticos, 4XX Desde 12% Cr hasta 17% Cr
Desde 0,15% C hasta 1% C
Endurecibles por tratamiento térmico, enfriamiento brusco
Magnéticos, alta resistencia mecánica, alta dureza, alta resistencia a la erosión, se
pueden trabajar en frío fácilmente a menor % C así como en caliente y se pueden
maquinar, buena tenacidad
Menor resistencia a la corrosión y maquinabilidad que los aceros inoxidables ferríticos
Tratamiento térmico Calentar a 1000°C y
templar en aire o en aceite
Revenido entre 400°C y
510°C es prohibido ya que
pierde la tenacidad
Revenido se recomienda
por encima de 600°C
A mayor temperatura de
revenido se puede presentar
alguna precipitación de
carburos, disminuyendo la
resistencia a la corrosión
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AISI/SAE Aplicación
410 Propósito general. Tornillos, cubiertos, piezas de maquinaria, flechas para bombas
403 Alta resistencia mecánica, buena resistencia al calor, corrosión, desgaste y abrasión.
Aletas para turbina de vapor
420 Cuchillería, instrumentos quirúrgicos, válvulas
414 Alta templabilidad, alta resistencia a la corrosión, resortes, laminas revenidas y piezas
de maquinaria
431 Alta resistencia a la corrosión, altas propiedades mecánicas, industria aeronáutica,
piezas de maquinaria
440C 1,20% C, bolas, cojinetes y rodillos
440B Mejora la tenacidad, cuchillería fina
440A Mayor tenacidad, buena resistencia a la corrosión, cuchillería y piezas para válvulas
Aceros inoxidables
martensíticos 501, 502
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AISI %C %Cr %Ni %Mo %Si %Mn %N %Pmáx %S
410 0,15 11,5 a 13,5 1 1 0,04 0,03
Aceros inoxidables austeníticos, 2XX, 3XX Fe
Máximo 0,08% C
Desde 16% Cr, hasta 25% Cr
Desde 7% Ni hasta 20% Ni
% Cr + % Ni ≥ 23%
Alta resistencia a la corrosión , no son magnéticos
No se endurecen por tratamiento térmico
Sí se endurecen por trabajo mecánico en frío
(paramagnético)
Alta resistencia al impacto
Difíciles de maquinar
Fáciles de maquinar si tiene %S y %Se
Son aptos para soldar
Grado L
Máximo 0,03% C
Baja resistencia mecánica
Grado H
Mínimo 0,04% C
Máximo 0,10% C
Alta resistencia
mecánica
Alta resistencia a altas
temperaturas
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AISI/SAE Aplicación
302 Adornos, industria alimenticia, industria aeronáutica
304 Menor % C, para disminuir la precipitación de carburos durante la
soldadura, procesamiento de alimentos, industria química
303 %S, buena maquinabilidad, tornillos
301 Endurecibles por trabajado, alta resistencia y ductilidad, estructuras de
aviones
305 Bajo endurecimiento por trabajo en frío, revenido Materiales de Ingeniería -
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Aceros inoxidables
austeníticos
AISI %C %Cr %Ni %Mo %Si %Mn %N %Pmáx %S
304 <0,07 17 a 19,5 8 a 10,5 <1 <2 <0,11 0,045 <0,015
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AISI/SAE Aplicación
308 Alta resistencia a la corrosión y al calor, soldadura
314 Alta resistencia a la corrosión a altas temperaturas
316 Alto % Mo aumenta la resistencia a la corrosión, alta resistencia a la
fluencia, industria alimenticia
321
% Ti evita precipitación de carburos durante la soldadura, excelente
comportamiento a condiciones severas entre 430°C y 870°C, múltiples
de aviones a reacción, recipientes a presión
347 % Cb o % Ta para mejorar la soldabilidad
Aceros inoxidables
austeníticos
Desarrollo de los
aceros inoxidables
ferríticos y
martensíticos
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Desarrollo de los
aceros inoxidables
austeníticos
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Estados unidos Alemania Italia Francia Gran
Bretaña Japón
AISI SAE DIN N° DIN UNI AFNOR BS JIS
302 (A) 30302 1.4319 C5CrNi18-7 X10CrNi18-09 Z10CN18.9 302 S26 SUS 302
410 (M) 51410 1.4006 X10Cr13 X10Cr13 Z10C13 410 S21 SUS 410
430 (F) 51430 1.4016 X6Cr17 X8Cr17 Z8C17 430 S17 SUS 430
Equivalencias de algunos aceros inoxidables
para diferentes países
Norma
AISI
SAE
DIN
UNI
AFNOR
BS British Standards
JIS Japan Industrial Standard
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AISI %C %Cr %Ni %Mo %Si %Mn %N %Pmáx %S
201 (A) <0,15 16 a 18 3,5 a 5,5 <1 5,5 a 7,5 0,05 a 0,25 0,045 <0,015
202 (A) <0,15 17 a 19 4 a 6 <1 7,5 a 10,5 0,05 a 0,25 0,045 <0,015
302 (A) <0,07 17 a 19 8 a 10 <1 <2 --- 0,045 <0,03
304 (A) <0,07 17 a 19,5 8 a 10,5 <1 <2 <0,11 0,045 <0,015
316 (A) <0,08 16 a 18 10 a 14 2 a 3
316L (A) <0,03 16 a 18 10 a 14 2 a 3
316H (A) <0,10 16 a 18 10 a 14 2 a 3
420 (M) >0,15 12 a 14
430 (F) <0,13 16 a 18
Composición química de algunos aceros inoxidables
Aceros
endurecibles
por
precipitación (PH: Precipitation
Hardening)
Grado %C %Cr %Ni %Si %Mn %Mo Otros
17-4 PH 0,04 16,50 4,25 0,50 0,40 --- 0,25 Cb +
3,60 Cu
17-7 PH 0,07 17,00 7,00 0,40 0,70 --- 1,15 Al
PH 15-7 Mo 0,07 15,00 7,00 0,40 0,70 2,25 1,15 Al
17-10 P 0,12 17,00 10,50 0,50 0,75 --- 0,28 P
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Tipo
Resistencia
a la
corrosión
Dureza Magnéticos
Endurecibles
por
tratamiento
térmicos
(temple)
Soldabilidad
Martensíticos Baja Alta Si Si Pobre
Ferríticos Buena Media – Baja Si No Limitada
Austeníticos Excelente Alta (trabajados
en frío)
No (leve por
trabajo en frío) No Excelente
Algunas propiedades de los aceros inoxidables
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Corrosión Oxidación acelerada y continua que desgasta y deteriora los materiales
Ánodo: material que pierde electrones, se oxida, material activo, Mg, Zn, Al
Cátodo: material que gana electrones, se reduce, material noble, Pt, Au, Ti
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Ciclo de los metales
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Factores que afectan a la corrosión
El metal
Las heterogeneidades químicas,
estructurales y las debidas a
tensiones internas generan pares
galvánicos que aceleran la corrosión
La pieza
Calidad superficial, grado
de mecanización, grietas,
orificios
Medio ambiente
La naturaleza ácida, básica o salina de la solución,
temperatura, conductividad, concentración de la solución
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Comportamiento Catódico – Anódico de algunos materiales
Au Cátodo, Electropositivo, baja velocidad de corrosión, material que gana electrones, material noble, material que se reduce
Pt
Ag
Fe
Cu
Sn
Pb
Ni
Co
Cr
Zn
Al
Mg
Na Ánodo, Electronegativo, alta velocidad de corrosión, material que pierde electrones, material activo, material que se oxida
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Tipos de corrosión
Corrosión uniforme Corrosión en hendiduras
Remaches, pernos, tornillos,
entre válvulas y sus asientos,
bajo depósitos porosos
Fenómeno de capilaridad
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Corrosión galvánica (bimetálica)
Materiales diferentes Corrosión intergranular
Bordes de grano (alto % de impurezas)
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Ataque por picado
Hoyos pequeños en la superficie del metal
Difícil de detectar ya que los agujeros se
llenan con productos de la corrosión Corrosión bajo tensión
Velocidad de enfriamiento
Deformación en frio
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Corrosión por erosión, cavitación y frotamiento
Erosión: alta velocidad de un fluido corrosivo, turbulencias
Cavitación: formación e implosión de burbujas de aire vapor
Frotamiento: movimiento relativo de dos superficies
Erosión Cavitación
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Ácido
•Perclórico
•Sulfúrico
•Nítrico
•Clórico
•Yódico
•Clorhídrico
•fluorhídrico
Amoniaco,
sodio,
cemento,
blanqueador
Gasolina, acetona,
tolueno, acetato de etilo
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tA
mV
**
*534
Variables para determinar la velocidad de corrosión
V: velocidad de corrosión, milésimas de pulgada/año
Δm: perdida de masa del material, mg
ρ: densidad del material, g/cm3
A: área expuesta (inicial), pulgada2
t: tiempo de duración del ensayo, horas
Aluminio y aleaciones de Aluminio
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Material
Resistencia a la tensión Densidad
psi (lbf/plg2) g/cm3 lb/plg3
Acero AISI 1045 90000 7,84 0,28 318422
Acero AISI 4140 152000 7,85 0,28 542857
Acero AISI 302 95000 7,90 0,28 333559
Auminio 13000 2,70 0,10 133554
Aluminio 7075 T6 83000 2,80 0,10 822236
lg , p densidad
a resistenci relación
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Generalidades del aluminio Es el metal mas abundante en la naturaleza y se encuentra en minerales como
la bauxita, el feldespato, arcilla, etc.
Proviene de la Bauxita, de la cual se obtiene la alúmina, de allí se saca el
aluminio metálico, el cual es refinado y finalmente el metal
Propiedades del aluminio:
Densidad, 2,7 g/cm3
Alta resistencia a la corrosión
Temperatura de fusión de 660 °C
Dureza brinell de 20
Módulo elástico de 6750 kgf/mm2
Resistencia a la tracción en estado laminado y recocido (6 a 10) kgf/mm2
Fundición, extrusión, laminación, forja, soldadura
Susceptibles a tratamientos térmicos o a trabajo en frío
Baja toxicidad
Buena conductividad térmica y eléctrica
Buena ductilidad y maquinabilidad
densidad
aresistencirelación
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Baja densidad Resistencia mecánica
Facilidad de
conformado
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Endurecimiento por envejecimiento
Endurecimiento por solución solida
Endurecimiento por deformación
Endurecimiento por dispersión
?
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Aleaciones para conformado
Aleación Características y propiedades
1xxx Aluminio comercialmente
puro (>99% Al) No envejecido
2xxx Al – Cu Endurecible por envejecimiento
3xxx Al – Mn No envejecido
4xxx Al – Si Endurecible por envejecimiento
5xxx Al – Mg No envejecido
6xxx Al – Mg – Si Endurecible por envejecimiento
7xxx Al – Zn Endurecible por envejecimiento
8xxx Al – Otros
9xxx Reservado
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Aleaciones fundidas
Aleación Características y propiedades
1xx.x Aluminio comercialmente
puro (>99% Al) No envejecido
2xx.x Al – Cu Endurecible por envejecimiento
3xx.x Al – Si – Cu – Mg Algunas son endurecibles por
envejecimiento
4xx.x Al – Si No envejecido
5xx.x Al – Mg No envejecido
6xx.x No utilizado
7xx.x Al – Zn – Cu – Mg Endurecible por envejecimiento
8xx.x Al – Ti Endurecible por envejecimiento
9xxx.x Al - Otros
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Designación de grado de endurecimiento para aleaciones de aluminio
F Tal como se fabricó (fundición, trabajo en caliente, trabajo en frío)
O Recocida
H Trabajada en frío
H1x Trabajada en frio únicamente (x se refiere a la cantidad de trabajo en frío y
endurecimiento)
H12 Su resistencia a la tracción se encuentra aproximadamente a la mitad entre la del
estado recocido (O) y H14
H14 Su resistencia a la tracción se encuentra aproximadamente a la mitad entre la del
estado recocido (O) y H18
H16 Su resistencia a la tracción se encuentra aproximadamente a la mitad entre la del
estado H14 y H18
H18 Máximo grado de endurecimiento
H19 Proporciona una resistencia mayor en 2000 psi respecto a la obtenida por H18
H2x Trabajada en frío y parcialmente recocida
H3x Trabajada en frío y estabilizada a una temperatura baja para evitar el
endurecimiento por envejecimiento
W Tratada térmicamente por solución
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Designación de grado de endurecimiento para aleaciones de aluminio
T Endurecida por envejecimiento
T1 Enfriada desde la temperatura de fabricación y envejecida naturalmente
T2 Enfriada desde la temperatura de fabricación, trabajada en frío y envejecida
naturalmente
T3 Tratada por solución, trabajada en frío y envejecida naturalmente
T4 Tratada por solución y envejecida naturalmente
T5 Enfriada desde la temperatura de fabricación y envejecida artificialmente
T6 Tratada por solución y envejecida artificialmente
T7 Tratada por solución y estabilizada por sobre envejecimiento
T8 Tratada por solución, trabajada en frío y envejecida artificialmente
T9 Tratada por solución, envejecida artificialmente y trabajada en frío
T10 Enfriada desde la temperatura de fabricación, trabajada en frío y envejecida
artificialmente
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Diseño Industrial - ITM 70 Mauricio Gaviria González
Aleaciones
para
conformado
Aleación Resistencia a la
tensión (kpsi)
Esfuerzo de
fluencia (kpsi)
Elongación
(%) Comentarios
1100 – O (>99% Al) 13 5 40 Laminación
3003 - O
1,2% Mn
17 5 23 Recipientes a presión,
aluminio para
laminación, aluminio
para equipos químicos 3003 – H14 23 23 17
5052 - O 2,5% Mg
+ 0,25% Cr
28 9,5 18 Uso marítimo, tubos
hidráulicos, industria
automotriz 5052 – H34 38 26 4
2024 - O 4,4% Cu
+ 1,5% Mg
+ 0,6% Mn
32 14 12 Industria aeronáutica
(estructuras) 2024 – T6 64 50 5
6061 - O 1,0% Mg
+ 0,6% Si
+ 0,27% Cu
+ 0,2% Cr
22 12 16 Industria automotriz,
industria marina,
tubería en general 6061 – T6 42 35 10
7075 - O 5,6% Zn
+ 2,5% Mg
+ 1,6% Cu
+ 0,23% Cr
40 21 10
Industria Aeronáutica
7075 – T6 73 62 8 Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 71 Mauricio Gaviria González
Aleaciones
para
fundición
Aleación
Resistencia
a la tensión
(kpsi)
Esfuerzo
de
fluencia
(kpsi)
Elongación
(%) Comentarios
355.0
5% Si + 1,2% Cu
+ 0,5% Mg
Fundición en arena
T6
32 20 2
Accesorios de
aviones (motor) 5% Si + 1,2% Cu
+ 0,5% Mg
Molde permanente
T6
37 ___ 1,5
356.0
7% Si + 0,3% Mg
Fundición en arena
T6
30 20 3
Ejes, ruedas, piezas
complejas 7% Si + 0,3% Mg
Molde permanente
T6
33 22 3
332.0
9,5% Si + 3% Cu
+ 1,0% Mg
Molde permanente
T5
31 ___ ___ Pistones de
automóviles
413.0 12% Si + 2% Fe
Molde permanente 43 21 2,5
Piezas muy
complejas
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 72 Mauricio Gaviria González
Mauricio Gaviria González 73
Titanio y aleaciones de Titanio
CT f1668
Material Resistencia a la tensión Densidad
psi (lbf/plg2) g/cm3 lb/plg3
Acero AISI 302 95000 7,90 0,28 333559
Aluminio 13000 2,70 0,10 133554
Titanio 80000 4,51 0,16 492028
lg , p densidad
a resistenci relación
Alta resistencia mecánica
Alta resistencia a la corrosión
Baja densidad
Cuarto elemento más abundante en la corteza
terrestre
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM
Mauricio Gaviria González 74
Cambio alotrópico para el Titanio
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Diseño Industrial - ITM
Mauricio Gaviria González 75 Materiales de Ingeniería -
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Mauricio Gaviria González 76 Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM
Mauricio Gaviria González 77 Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM
Mauricio Gaviria González 78
Aleación 6Al – 4V
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM
Mauricio Gaviria González 79
Marco de una bicicleta
Museo de Guggenheim, España Corazón artificial
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM
Mauricio Gaviria González 80
Seguridad personal
Accesorios
Implante dental
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Mauricio Gaviria González 81
Aleación Nombre común
(UNS)
Propiedades
σt , ksi σf, ksi ε,%
Puro, α Grados 1, 2, 3 y 4
Sin aleación (Recocido) (R50500)
70 60 25
α Grados 6, 7 y 11
Ti – 5Al – 2,5Sn (Recocido) (R54520)
120 114 16
Casi α
Ti – 8Al – 1Mo – 1V (Recocido) (R54810)
138 129 15
α – β Grados 5 y 9
Ti – 6Al – 4V (Recocida) (R56400)
137 127 14
α – β Grados 5 y 9
Ti – 6Al – 6V – 2,5Sn (Recocida) (R56620)
153 143 14
β Ti – 10V – 2Fe – 3Al
(Envejecimiento) 178 167 10
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Titanio
Fase α (HCP)
No son susceptibles a tratamiento
térmico
Dúctiles
Fáciles de soldar
Baja resistencia mecánica
Excelentes propiedades mecánicas
a temperaturas criogénicas
Fase α – β
Susceptibles a tratamiento
térmico
Fáciles de soldar
Resistencia mecánica con
valor intermedio entre el
titanio α y el titanio β
Fase β (BCC)
Son susceptibles a tratamiento
térmico
Son generalmente soldables
Alta resistencia mecánica y buena
resistencia a la deformación hasta
temperaturas intermedias
Mauricio Gaviria González 82 Materiales de Ingeniería -
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Algunas aleaciones de Titanio
Mauricio Gaviria González 83 Materiales de Ingeniería -
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Efecto de algunos elementos intersticiales
en el Titanio
Mauricio Gaviria González 84 Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM
Tratamientos térmicos
Reducir las tensiones residuales producidas en el proceso de
fabricación
Conseguir una adecuada combinación de ductilidad,
maquinabilidad, estabilidad dimensional y estructural
Incrementar la resistencia por medio de procesos de revenido y
recocido
Optimizar propiedades particulares como la resistencia a la
fractura, resistencia a la fatiga o la resistencia a la fluencia a alta
temperatura
Mauricio Gaviria González 85 Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM
Aplicaciones
Debido a su resistencia y su densidad, se utiliza reemplazando el
aluminio
Titanio aleado con aluminio y vanadio se utiliza en la fabricación de
las puertas de incendio en los aviones, componentes del tren de
aterrizaje, protecciones del motor
Alabes del compresor, los discos y los revestimientos de los motores
a reacción
La relativa inercia del titanio le hace eficaz como sustituto de los
huesos y cartílagos
Fabricación de tuberías y tanques utilizados en la fabricación de
alimentos
Fabricación de intercambiadores de calor de las plantas de
desalinización debido a su alta resistencia para soportar la corrosión
del agua salada
Mauricio Gaviria González 86 Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM
Los implantes necesitan ser
Biocompatibles
Resistentes a la humedad
Baja densidad
Tenaces
Fuertes
Módulos de Young apropiados
Mauricio Gaviria González 87 Materiales de Ingeniería -
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Información técnica 6Al – 4V 6Al – 4V (ELI)
Tipo de estructura α – β
Composición nominal, valores máximos
0,08%C, 0,05%N, 0,015%H, 0,25%Fe, (5,75 a 6,75)%Al, (3,5 a 4,5)%V, 0,20%O
0,08%C, 0,05%N, 0,015%H, 0,25%Fe, (5,5 a 6,5)%Al, (3,5 a 4,5)%V, 0,13%O
Transformación β 1000 °C
Cortado Se corta fácilmente con sierra, lijado
Mecanizado Baja velocidad, herramientas con buen filo, buena refrigeración
Moldeado
Moldeado a temperatura ambiente cuando sea posible Si la forma geométrica es compleja puede ser moldeado en caliente
Para materiales tratados con soluciones se recomienda el moldeado en caliente
Soldadura Protección con gas inerte genera soldadura dúctiles
Aplicaciones Piezas de fuselaje y turbina, depósitos de presión, carcasas de motor
Aplicaciones quirúrgicas e implantes, fuselajes, depósitos de presión
Tratamiento térmico ? ?
Comparación entre dos aleaciones muy utilizadas industrialmente
Mauricio Gaviria González 88 Materiales de Ingeniería -
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Todos los plásticos son polímeros
No todos los polímeros son plásticos
Plásticos: son polímeros que bajo condiciones
adecuadas de presión y de temperatura, pueden ser
moldeados
Tg: temperatura de transición vítrea
PMMA
Sustantivo: se refiere a una clase de materiales que pueden ser moldeados
Adjetivo: comportamiento mecánico de un material que queda deformado una
vez se retira la fuerza externa
Plásticos / Polímeros
Carbono + hidrogeno
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Diseño Industrial - ITM 89 Mauricio Gaviria González
Monómero: unidad estructural
Poli: muchas
Meros: partes
Polímeros: moléculas grandes y largas
Polímeros naturales
Se encuentran en plantas y
animales
Algodón (fibras de celulosa)
Seda, Hule, Lana
Polímeros sintéticos
Obtenidos a partir del
petróleo
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Diseño Industrial - ITM 90 Mauricio Gaviria González
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Diseño Industrial - ITM 91 Mauricio Gaviria González
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 92 Mauricio Gaviria González
Consumo mundial de materias primas
Homopolímeros
Formados por
monómeros de una
misma especie
PVC – PE – PP
Copolímeros
Formados por
monómeros de dos o
más especies
ABS – Estireno de alto
impacto
Enlaces covalentes
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Diseño Industrial - ITM 93 Mauricio Gaviria González
Cadenas moleculares
Amorfo
Macromoléculas
desordenadas y
entrelazadas
Vítreos
Transparentes
Frágiles
Semi-cristalinos
Pequeños cristales y zonas
amorfas
Funden en un rango de
temperatura
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Diseño Industrial - ITM 94 Mauricio Gaviria González
Poliolefinas Homopolímeros
Termoplásticos semicristalinos
Alta resistencia química
Buenos aislantes térmicos
Fáciles de transformar
Bajo precio
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Resistencia a la tracción de algunos polímeros
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Diseño Industrial - ITM Mauricio Gaviria González 97
Polietileno (PE) Flexible, semirrígido
Translucido
No se rompe
Alta resistencia a los ácidos, a las bases y a los disolventes
Baja densidad
Termoplástico
Bolsas, botellas, aislantes, tuberías
LDPE (low density polyethylene) de cadena corta, densidad
(0,910 0,925) g/cm3, empaques
HDPE (high density polyethylene) lineal, densidad (0,941 a 0,965)
g/cm3, recipientes y tubos
Mínimo 90% cristalinidad
Temperatura de fusión de 135 °C
Utensilios domésticos, juguetes, tuberías, conductos
Tg entre -30 °C a -80 °C
UHMWPE(ultra high molecular weight polyethylene), alta resistencia
a la abrasión y alta tenacidad
Elementos mecánicos
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Diseño Industrial - ITM 98 Mauricio Gaviria González
Poliestireno (PS) Fácil de moldear
Amorfos, transparentes
Bajo costo
Frágiles
PS de alto impacto
Termoplástico
Empaques, charoles, utensilios domésticos, cajas, envases
Transparente u opaco
Rígido, semirrígido
Alta densidad
Alta resistencia a los ácidos y las bases
PS cristal, transparente, rígido y quebradizo
PS impacto, resistente y opaco
PS expandido, baja densidad, envases, aislante térmico
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Diseño Industrial - ITM 99 Mauricio Gaviria González
Poli vinil cloruro (PVC) Cloro
Pertenece a la familia de los polímeros clorados
Fácil de moldear
Ignífugo
Bajo costo
Quebradizo
Transparente, opaco
Flexible, semirrígido
Se puede cortar, no se rompe
Alta densidad
Alta resistencia a los ácidos y las bases
Algunos disolventes lo atacan
Termoplástico
Cajas, envases, tuberías, juguetes, carcasas
Acrílicos, PMMA Polimetilmetacrilato
Transparente, frágil
Rígido
Tenaz
Brillante y transparente como un cristal
Se deja pigmentar de todos los colores
Se rompe
Alta densidad
Termoplástico
Cristales de seguridad, industria óptica
Domos, lentes
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 100 Mauricio Gaviria González
Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS) Copolímero
Alta resistencia mecánica y al impacto
Temperatura de servicio entre -40 °C y 107 °C
Inflamable
Máquinas de oficina, cubiertas de herramientas
Polipropileno (PP) Alta cristalinidad
Baja densidad
Tg de -10 °C
Baja resistencia al impacto
Baja resistencia a la luz
Tuberías, jeringas desechables,
tarros para pintura, alfombras
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 101 Mauricio Gaviria González
PET Polietilén tereftalato
Impermeable
Transparente
Baja densidad
No tóxico
Tenaz
Fácil reciclaje
Envases para bebidas carbonatadas y
licores, bolsas, bandejas para
microondas
Poliuretano Poliol + Isocianato
Recubrimientos de alambres,
pinturas sintéticas
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 102 Mauricio Gaviria González
Nylon Alta tenacidad
Cristalinos
Amorfos y transparentes (al modificarlos)
Absorben humedad
Auto lubricantes
Engranajes, cojinetes, piezas de carrocerías
para automóviles
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 103 Mauricio Gaviria González
Policarbonato
Alta claridad, amorfo, transparente
Alta resistencia al impacto
Faros de automóviles, tableros de instrumentos,
blindajes
CDs, envases
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 104 Mauricio Gaviria González
Termofijos
Fenol formaldehido Bakelita
Color oscuro
Interruptores, agarraderas
Madera contrachapada
Aminorresina Translucida
Se deja pigmentar
Tableros para muro, cubiertos, vajillas
Poliéster Materiales compuestos Resinas epoxy
Encapsulado de piezas eléctricas
Materiales compuestos
Poliamida (PA) Nylon
Kevlar
Elementos mecánicos,
elementos de seguridad
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 105 Mauricio Gaviria González
Materiales cerámicos
Definición: sólidos inorgánicos, formados por elementos no metálicos y
elementos metálicos
Características: duros, no combustibles, no oxidables
Propiedades: alta resistencia a altas temperaturas, alta temperatura de
fusión, baja conductividad térmica, baja conductividad eléctrica, frágiles,
alta resistencia mecánica a la compresión, baja resistencia al impacto
Formados por fases cristalinas y/o vítreas
Enlaces iónicos y/o covalentes
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 106 Mauricio Gaviria González
Estructuras cristalinas complejas
Materias primas
Arcillas, feldespatos, cuarzo
ARCILLA
Al2O3 + SiO2 + H2O
CUARZO
SiO2
FELDESPATO
K2O + Al2O3 + 6SiO2
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 107 Mauricio Gaviria González
Cerámicas tradicionales
Cerámicas de mesa, pavimentos
Sanitarios
Refractarios, abrasivos
Porcelanas (aislantes, decorativas)
Se obtienen múltiples fases en la cocción
Para cada composición se dan varias aplicaciones
Materia prima: arcillas
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 108 Mauricio Gaviria González
Cerámicas de Ingeniería
Industria aeroespacial: partes para motores, revestimientos,
herramientas de corte, aislantes térmicos
Biomédica: Huesos, dientes, materiales de implante
Óptica: fibra óptica, lentes
Electrónica: condensadores, aislantes
Presentan una sola fase
Cada composición tiene una aplicación especifica
Materia prima: polvos cerámicos, óxidos, carburos, Nitruros
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 109 Mauricio Gaviria González
Bujías
Alúmina, Al2O3
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 110 Mauricio Gaviria González
Aislantes de alta tensión
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 111 Mauricio Gaviria González
Refractarios, soportan temperaturas superiores a los 1500 °C
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 112 Mauricio Gaviria González
Definición
Es un sistema de materiales constituido por una mezcla
o combinación de dos o más micro o macro
constituyentes que difieren en forma y composición
química y que son esencialmente insolubles entre si
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 113 Mauricio Gaviria González
Algunas aplicaciones de los materiales
compuestos en la industria deportiva y en
la industria aeronáutica
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 114 Mauricio Gaviria González
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 115 Mauricio Gaviria González
Isotropía
Anisotropía
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 116 Mauricio Gaviria González
Efecto de la orientación del
refuerzo vs aplicación del
esfuerzo en el material
compuesto
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 117 Mauricio Gaviria González
Resinas de poliéster Bajo costo
Reforzados con fibras (vidrio)
Cascos de barcos
Resinas epoxy Alta resistencia
Reforzadas con fibras de carbono
y Aramida
Poliéster Epoxy
Resistencia a la tracción, psi (MPa) 6000 a 13000 (40 a 90) 8000 a 18000 (55 a 125)
Módulo de tracción, psi (GPa) 300000 a 640000 (2,0 a 4,4) 410000 a 610000 (2,8 a 4,2)
Densidad, g/cm3 1,10 a 1,46 1,2 a 1,3
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 118 Mauricio Gaviria González
Fibras
Tipo de fibra Aplicaciones Características
Vidrio E (eléctrico). Fibras
continuas, σt = 500000 psi,
E = 10,5 * 106 psi
Vidrio S (resistencia).
σt = 650000 psi,
E = 12,4 *106 psi
Densidad = 1,6 g/cm3
Para reforzar matrices plásticas
Materiales compuestos
estructurales y productos de
moldeo
Buena relación resistencia/peso, buena
estabilidad dimensional, buen resistencia
al calor, al frío, a la humedad y a la
corrosión, buenas propiedades aislantes
eléctricas, facilidad de fabricación y bajo
costo
Carbono (PAN,
poliacrilonitrilo)
Epoxi reforzado con fibras de
carbono
Aplicaciones aeroespaciales Baja densidad, alta resistencia y alto
módulo de elasticidad, alto costo
Aramida (poliamida
aromática) Seguridad personal
Kevlar 29. Baja densidad y alta
resistencia, protección balística, cuerdas,
cables
Kevlar 49. Baja densidad, alta
resistencia, alto módulo
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 119 Mauricio Gaviria González
Plástico reforzado con fibra de carbono Plástico reforzado con fibra de vidrio
Plástico reforzado con fibras naturales Plástico reforzado con fibra de aramida
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 120 Mauricio Gaviria González
VARIABLES A TENER EN CUENTA EN LA SELECCIÓN DE MATERIALES
Variable Características
Función
Cargas aplicadas y cargas transmitidas, presión,
temperatura de trabajo, almacenamiento de
energía, volumen, masa, impacto ambiental
Forma Índices de prestaciones
Material Propiedades mecánicas, físicas, químicas,
eléctricas, térmicas, costo
Proceso de fabricación Material, tamaño, forma, tolerancias dimensionales,
rugosidad, cantidad de piezas, costo
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 121 Mauricio Gaviria González
Selección de Materiales
Aplicación Máxima
resistencia Máxima rigidez
Esfuerzo de tracción, cilindros con
presión interna σf / ρ E / ρ
Esfuerzo de torsión (σf)2/3 / ρ G1/2 / ρ
Esfuerzo de doblez, Vigas (σf)2/3 / ρ E1/2 / ρ
Esfuerzo de doblez, Placas (σf)1/2 / ρ E1/3 / ρ
Índices de prestaciones
Aplicación Máxima
Aislante térmico 1 / λ
Mínima distorsión térmica λ / α
Máxima resistencia a choque térmico E * α
Aplicación Mínimo
Mínimo volumen σf2 / E
Mínimo peso σf2 / E*ρ
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Diseño Industrial - ITM 122 Mauricio Gaviria González
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 123 Mauricio Gaviria González
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 124 Mauricio Gaviria González
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 125 Mauricio Gaviria González
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 126 Mauricio Gaviria González
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 127 Mauricio Gaviria González
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM Mauricio Gaviria González 128
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM Mauricio Gaviria González 129
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM Mauricio Gaviria González 130
Materiales de Ingeniería -
Diseño Industrial - ITM 131 Mauricio Gaviria González