View
218
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
Tema 1
LOS MATERIALES, PROPIEDADES Y
APLICACIONES
2 2 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 2
1. LA CIENCIA E INGENIERA DE LOS MATERIALES
1.1. Concepto
1.2. Definicin de material
1.3. El ciclo de los materiales
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
2.1. Materiales metlicos
2.2. Materiales cermicos
2.3. Materiales polimricos
2.4. Materiales compuestos
3. RELACIN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
4. SELECCIN DE MATERIALES PARA APLICACIONES EN LA INDUSTRIA
4.1. Fundamentos de la seleccin de materiales
4.2. Ejemplos prcticos de seleccin y diseo con materiales
INDICE
3 3 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 3
1.1. Concepto
La Ciencia e Ingeniera de los Materiales est referida a la generacin y aplicacin del
conocimiento relacionado con la composicin, estructura y procesado de los materiales y
de sus propiedades y aplicaciones (Comit sobre el Estado de la Ciencia e
Ingeniera de los Materiales -COSMAT- de la Academia Nacional de las Ciencias
de Estados Unidos, 1974)
1. LA CIENCIA E INGENIERA DE LOS MATERIALES
Espectro del conocimiento de la Ciencia de Materiales
4 4 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 4
1.1. Concepto
Interrelacin entre la Ciencia de los Materiales y otras Ciencias bsicas y aplicadas
1. LA CIENCIA E INGENIERA DE LOS MATERIALES
5 5 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 5
1.2. Definicin de material
Sustancias que poseen las propiedades para hacerles tiles en mquinas, estructuras, componentes y productos (COSMAT-1974)
La materia empleada por el hombre para crear estructuras, vehculos, mquinas, componentes, obras de arte y otros objetos (Enciclopedia de Ingeniera y Ciencia de Materiales)
Materia fsica que es manipulada y empleada por el hombre, generalmente sin que se produzca una conversin qumica mayoritaria durante su funcin (Enciclopedia de Ingeniera y Ciencia de Materiales)
Sustancias que una vez fabricadas y procesadas, se utilizan en el diseo y construccin de componentes y estructuras, debiendo cumplir una serie de propiedades fsicas, qumicas y mecnicas durante su vida en servicio
1. LA CIENCIA E INGENIERA DE LOS MATERIALES
6 6 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 6
1.3. El ciclo de los materiales
1. LA CIENCIA E INGENIERA DE LOS MATERIALES
ESTRUCTURAS
COMPONENTES
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 7
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
METALES Y ALEACIONES
Hierro y aceros
Aluminio y sus aleaciones
Cobre y sus aleaciones
Nquel y sus aleaciones
Titanio y sus aleaciones
POLMEROS
Polietileno (PE)
Poliamidas- nailon (PA)
Poliestireno (PE)
Poliuretano (PU)
Policloruro de vinilo (PVC)
Politereftalato de etilenglicol (PET)
Resinas epoxi (EP)
Elstomeros, como caucho natural (NR)
CERAMICOS Y VIDRIOS
Almina (Al2O3)
Magnesia (MgO)
Slice (SiO2), vidrios y silicatos
Carburo de silicio (SiC)
Nitruro de silicio (Si3N4)
Cemento y hormign
MATERIALES COMPUESTOS
Polmeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP)
Polmeros reforzados con fibra de carbono (CFRP)
Cermets
MATERIALES NATURALES
Madera
Piel
Algodn, lana, seda
Hueso
8 8 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 8
Clasificacin de los materiales en funcin de su naturaleza y aplicaciones
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
Esquema: Composicin Estructura Propiedades: Ventajas y Limitaciones Aplicaciones
9 9 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 9
2.1. Materiales Metlicos y Aleaciones COMPOSICIN
Metales puros: Fe, Al, Mg, Ti, Zn, Cu, Sn, Pb, Ni...
Aleaciones: M+noM aceros (Fe-C), aceros aleados (Fe-C-X, X= Cr, Mo, Ni, V, Mn...),
M+M latones (Cu-Zn), bronces (Cu-Sn). Aleaciones ligeras base Al, Ti, Mg, superaleaciones base Ni, superaleaciones base Co...
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 10
CARACTERSTICAS
Elevada conductividad
trmica y elctrica
Resistencia mecnica alta,
alta rigidez (mdulo
elstico), ductilidad y
conformabilidad
Resistencia al impacto
Aplicaciones estructurales
ESTRUCTURA: Cristalina
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
Estructura cristalina del Pb
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 11
Puente de D. Luis, Oporto (1881)
Turbina de vapor abierta en centrales termosolares
Turbina para aviacin
Perfiles metlicos
Usos domsticos
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
12 12 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 12
Tabla peridica cermicos combinacin entre uno o ms elementos metlicos (azul) y uno o ms no metlicos (rojo)
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
2.2. Materiales Cermicos
COMPOSICIN
Compuestos complejos que contienen elementos metlicos y no metlicos, unidos por enlaces
inicos y/o covalentes.
ESTRUCTURA
2 tipos: - Cermicos amorfos: vidrios
- Cermicos cristalinos: Cermicos oxdicos (Al2O3, MgO, SiO2..) y cermicos no oxdicos
(Si3Ni4, SiC, WC, BN..)
13 13 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 13
2.2. Materiales Cermicos
CARACTERSTICAS
Elevada dureza y resistencia
Baja densidad
Baja ductilidad, conformabilidad y resistencia al
impacto
Baja conductividad elctrica y trmica
Elevado punto de fusin, elevada estabilidad qumica
y resistencia a la abrasin
Buenas propiedades pticas, elctricas y trmicas
Numerosas aplicaciones: alfarera, ladrillos, loza,
azulejos, refractarios, imanes, abrasivos, aislantes
elctricos, componentes de turbinas de gas
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
Cristalino
Amorfo
14 14 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 14
2.2. Materiales Cermicos APLICACIONES
Alfarera, ladrillos, azulejos, lozas
Materiales refractarios, imanes, aislantes elctricos,
abrasivos
Vidrios de ventana
Enlosados cermicos para vehculos espaciales
Utensilios de cocina, vitrocermicas
Aplicaciones electrnicas
Dispositivos electrnicos (transistores, circuitos
integrados y diodeos)
Sistemas de fibras pticas
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
15 15 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 15
2.3. Materiales Polimricos
COMPOSICIN
Compuestos orgnicos basados en C, H y otros elementos no metlicos (O, N, F, Si)
ESTRUCTURA
Molculas de cadena larga formados por monmeros unidos entre s
Ej. Etileno C2H4 ; Polietileno (C2H4)n ; polister; nylon
Tabla peridica elementos en verde forman parte de la estructura de los polmeros
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
16 16 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 16
2.3. Materiales Polimricos
CARACTERSTICAS
Elevado peso molecular 10.000-1.000.000
g/mol
Son ligeros, resistentes a la corrosin y
aislantes elctrico
Baja resistencia mecnica y no adecuados
para usos a elevada temperatura
Fciles de conformar y obtener formas
complejas
Numerosas aplicaciones: juguetes, artculos
domsticos, artculos estructurales y
decorativos, recubrimientos, pinturas,
adhesivos, neumticos...
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
Termoplstico
Termoestables
Elastmero
17 17 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 17
2.4. Materiales Compuestos
Diferentes tipos de materiales compuestos: a) con partculas, b) con fibras y c) laminar
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
Combinacin de matriz (metlica, cermica, polimrica) y refuerzo (lminas, fibras, partculas)
Combinan rigidez, ligereza, resistencia, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosin,
dureza, conductividad
Ejemplos: aleaciones de Al reforzadas con fibras o partculas, polmeros reforzados por fibra de
vidrio (GFRP) o fibra de carbono (CFRP), madera, hormign
Combinacin de dos o ms materiales de diferente naturaleza
diseado para desempear una funcin especfica, maximizando
las propiedades deseables de sus componentes y minimizando
las que no lo son.
18 18 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 18
Aplicaciones y propiedades tpicas de los diferentes tipos
de materiales
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
Mayora componentes
ingeniera: metales y
aleaciones
Polmeros uso forma creciente
Cermicos: en desarrollo
material emergente mltiples
aplicaciones (cuchillos)
Compuestos: combinacin de
propiedades, mltiples
aplicaciones
Materiales naturales: madera,
piel propiedades nicas
19 19 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 19
Importancia relativa de los diferentes tipos de materiales
2. TIPOS DE MATERIALES: CLASIFICACIN
20 20 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 20
3. RELACIN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
Relacin ternaria entre estructura propiedades y
mtodo de procesado aplicado al caso de la
laminacin en fro de una chapa de aluminio
Qu material selecciono para
fabricar una estructura o componente
para una determinada aplicacin?
Importante relacin ternaria
Estructura-Propiedades- Procesado
Si se cambia alguno de los aspectos se modifican los otros
21 21 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 21
3. RELACIN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
ESTRUCTURA
Estructura Atmica
Nivel ms fundamental. Depende de la naturaleza de los tomos que constituyen el
material
Distribucin de electrones afecta:
Naturaleza del material: metal, cermico, polmero
Comportamiento elctrico, magntico, trmico, ptico y qumico
a) Estructura atmica y b) cristalina
22 22 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 22
Disposicin Atmica
Considera la distribucin de los tomos en el espacio
- Estructura cristalina: organizacin atmica regular metales, muchos cermicos y algunos polmeros
Influencia en propiedades mecnicas ductilidad, resistencia mecnica
Presencia de defectos cristalinos cambios en propiedades del material
- Estructura vtrea: configuracin atmica desordenada algunos cermicos y
muchos polmeros
3. RELACIN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
23 23 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 23
Microestructura
Estructura del material a escala microscpica
- Materiales monofsicos formados por cristales de la misma naturaleza
pero diferente orientacin
- Materiales multifsicos cristales de diferente naturaleza, donde
vara proporcin, tamao, forma y distribucin relativa
Control de parmetros microestructurales control de propiedades del material
Monofsicos Multifsicos
3. RELACIN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
24 24 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 24
Macroestructura
- Forma externa de un componente que es observable a simple vista
- Caractersticas macroestructurales de un equipo estn determinadas por su diseo
3. RELACIN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 25
Econmicas Precio y disponibilidad
Reciclabilidad
Mecnicas Mdulos
Lmite elstico y resistencia a la traccin
Dureza
Tenacidad a la fractura
Resistencia a fatiga
Resistencia a fluencia
Amortiguamiento a las vibraciones
Trmicas Conductividad trmica
Calor especfico
Coeficiente de expansin trmica
Elctricas y magnticas Resistividad
Constante dielctrica
Permeabilidad magntica
Interaccin con el entorno Oxidacin
Corrosin
Desgaste
Produccin Facilidad de fabricacin
Unin
Acabado
Estticas Color
Textura
Aspecto
PROPIEDADES
3. RELACIN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
26 26 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 26
PROCESADO
Tcnicas de fabricacin que permiten generar la forma deseada de un componente Moldeo (vertido de metal lquido en molde), soldadura (unin de piezas individuales), conformacin aplicando presin (forja, extrusin, laminado, doblado), compactacin de partculas pequeas (pulvimetalurgia), eliminacin de material excedente (mecanizado)
Diferencia microestructural entre una barra de cobre fabricada por moldeo y otra producida por conformado mecnico
3. RELACIN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
27 27 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 27
ESTRUCTURA-PROPIEDADES
Contraste entre el comportamiento mecnico de a) aluminio (dctil) y b) magnesio (frgil), resultado de sus respectivas estructuras cristalinas
3. RELACIN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
28 28 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 28
Microestructura porosa de una almina policristalina que origina un material opaco
Microestructura libre de poros de una almina policristalina (0,1% de MgO) que origina un material traslucido, que se aplica en la fabricacin de lmparas de vapor de sodio
MICROESTRUCTURA - PROCESADO
Cermico comercial se fabrica calentando a alta temperatura polvos cristalinos
3. RELACIN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
4. SELECCIN DE MATERIALES
QUE MATERIAL DEBE SELECCIONARSE PARA UNA DETERMINADA
APLICACIN?
Decisin prctica final a adoptar en el proceso de diseo en ingeniera y puede determinar
el xito o fracaso final del diseo
1. Decidir el tipo general de material apropiado
2. Encontrar el mejor material especfico dentro de esa categora
La seleccin de materiales debe ser una parte integral del proceso de diseo
La seleccin de materiales debe ser ordenada basndose en la combinacin de
propiedades que debe poseer el producto resultante
Las propiedades que definen el comportamiento de los materiales pueden
considerarse como los parmetros de diseo para especificar los requisitos exigidos
al material seleccionado
Ejemplo: Qu material puedo utilizar para fabricar una taza?
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 29
4. SELECCIN DE MATERIALES
Factores que influyen en la seleccin de un material para la fabricacin de un
determinado producto
Requerimiento en servicio condiciones bajo las cuales se utiliza
Producto sometido a fuerzas resistencia mecnica
Producto sometido a ambiente corrosivo resistencia a la corrosin
Requerimientos por mtodos de fabricacin
Material doblado durante el procesado debe ser dctil
Requerimiento por consideraciones medioambientales
Seleccin de material condicionada por su capacidad de reciclado o por
producir polucin medioambiental en servicio
Disponibilidad y coste
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 30
4. SELECCIN DE MATERIALES
MOTIVOS DE SELECCIN
La introduccin de un nuevo producto, componente o sistema producido por primera vez
Mejora de un producto existente o rediseo de un sistema considerado como una evolucin
Resolucin de un problema concreto, debido por ejemplo a fallo de un componente que origine rechazo por parte de los clientes. Necesitamos cambio de material o diseo
SELECCIN DE MATERIALES PARA CADA APLICACIN
Materiales compiten unos con otros por su existencia y los nuevos mercados
Factores que facilitan sustitucin material por otro para ciertas aplicaciones
Coste del producto factor fundamental sustituir producto pero en
compromiso con garanta de servicio y mnimo mantenimiento
Desarrollo de nuevas propiedades necesarias para una determinada aplicacin
INVESTIGACIN NUEVOS MATERIALES muy importante en todos los campos de la ingeniera
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 31
4. SELECCIN DE MATERIALES
INVESTIGACIN NUEVOS MATERIALES
Materiales que puedan soportar ms altas temperaturas
Materiales con mejores propiedades de resistencia
Materiales que pueden aligerar las estructuras
Procesos de compactacin y fabricacin
Procesos de soldeo y adhesivos
Procesos de moldeo por inyeccin en materiales polimricos
Moldeo por inyeccin de polvos metlicos
Materiales cermicos que aumentan su tenacidad
Procesos de aplicacin de recubrimientos cermicos sobre soporte metlico
Materiales polimricos
Materiales compuestos
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 32
33 33 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 33
Etapas del proceso de seleccin:
Definir las funciones requeridas para el producto
Considerar un diseo provisional, teniendo en cuenta la normativa nacional e
internacional en vigencia
Definir las propiedades requeridas a los materiales
Identificar y clasificar posibles materiales, teniendo en cuenta la
disponibilidad
Identificar posibles procesos de fabricacin capaces de obtener el diseo
previsto
Considerar los posibles materiales y posibles procesos de fabricacin de
forma conjunta, y establecer una propuesta para ambos. Si no es posible
reconsiderar el diseo y reiniciar el ciclo
Considerar como se puede comportar el producto durante su vida en servicio
4. SELECCIN DE MATERIALES
34
DISEO EN INGENIERA
4. SELECCIN DE MATERIALES
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones
35 35
4. SELECCIN DE MATERIALES
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones
36 36
4. SELECCIN DE MATERIALES
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones
4. SELECCIN DE MATERIALES. EJEMPLOS
ELECTRODOS
Resistencia a fatiga trmica (cambios bruscos T)
Resistencia a desgaste (por erosin chispa)
Resistencia a corrosin y oxidacin (gases combustin con S)
CUERPO
Aislante elctrico
Buena resistencia fatiga trmica
Resistencia a corrosin y oxidacin
DISEO Y SELECCIN DE MATERIALES DE UNA BUJIA
ALEACIONES WOLFRAMIO
ALMINA
37 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones
4. SELECCIN DE MATERIALES. EJEMPLOS
DISEO Y SELECCIN DE MATERIALES DE UN TURBOPROPULSOR DE UN MOTOR A REACCIN
Elevado mdulo
Alto lmite elstico
Alta tenacidad a la fractura
Alta resistencia a la fatiga
Alta resistencia al desgaste superficial
Alta resistencia a la corrosin
Baja densidad
ALEACIN DE Ti
38 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones
39 39
4. SELECCIN DE MATERIALES
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones
CASO 1. MATERIALES PARA LA FABRICACIN DE UN DESTORNILLADOR
4. SELECCIN DE MATERIALES. EJEMPLOS
PUNTA
Elevada dureza
Tenacidad de fractura
VARILLA
Alto mdulo (resistencia al doblado, polmero se retuerce al doblarlo)
Alto lmite elstico (no se doble al hacer fuerza, Al se doblara)
Alta dureza y que no sea frgil (vidrio alto mdulo y resistencia, pero frgil)
MANGO
Fcil conformado
Apariencia y textura
Baja densidad
Barato
ACERO CARBURADO ACERO 0,8% C
PMMA
4.2. CASOS PRCTICOS
40 Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones
CASO 2. MATERIALES PARA LA FABRICACIN DE UNA BOMBONA DE GAS
Sucesin de alternativas que conducen a la
seleccin de un metal como material ms
adecuado para la fabricacin de una botella
comercial de gas comprimido Proceso de seleccin de una aleacin
metlica especfica para la botella de gas
4. SELECCIN DE MATERIALES. EJEMPLOS
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 41
CASO 2. MATERIALES PARA LA FABRICACIN DE UNA BOMBONA DE GAS
4. SELECCIN DE MATERIALES. EJEMPLOS
Recipientes a presin de aplicacin aeroespacial de material compuesto polimrico reforzado con fibra
de poliaramida
Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 42
Recommended