Materials. Assaig

TECNOLOGIA INDUSTRIAL

MATERIALS

nov-13 – Materials – Diap 2 de 31

INTRODUCCIÓ 3000 Metal·lurgia del COURE

2000 BRONZE per armes

1600 FERRO (hitites)

1300 ACER

1000 VIDRE (Grècia i Siria)

50 Técniques de BUFAT DEL VIDRE (Fenicia)

20 Mètode d’obtenció del FORMIGÓ (Roma)

700 PORCELLANA (Xina)

1450 CRISTALL (Angelo Barovier)

1590 LENTS DE VIDRE (microscopis, Paísos Baixos)

nov-13 – Materials – Diap 3 de 31

1738 Proces per produir ZINC per destil·lació de carbó (William Champion)

1799 Primera BATERÍA ELÈCTRICA basada en coure i zinc. (Alessandro Volta)

1824 CIMENT PORTLAND (Joseph Aspin)

1825 ALUMINI METÀL·LIC (Hans Christian Orsted)

1839 VULCANITZACIÓ del cautxú (Charles Goodyear)

1855 PROCES BESSEMER per la producció massiva d’acer

1883 Primeres PLAQUES SOLARS (Charles Fritts)

1911 Descubriment de la SUPERCONDUCTIVITAT

1931 NEOPRÉ (Julius Nieuwland)

NYLON (Wallace Carothers)

1938 TEFLÓ (Roy Plunkett)

1947 Primer transistor de GERMANI

1954 6% d’eficiència en plaques solars de SILICI (Laboratoris Bell)

1970 FIBRA ÓPTICA (Corning)

nov-13 – Materials – Diap 4 de 31

nov-13 – Materials – Diap 5 de 31

CIÈNCIA DE MATERIALS

Implica investigar la relació entre la estructura i les propietats dels materials.

ENGINYERÍA DE MATERIALS

A partir de les relacions entre

⇒⇒⇒⇒ PROPIETATS

⇒⇒⇒⇒ ESTRUCTURA

⇒⇒⇒⇒ PROCESSAMENT

dissenya nous materials amb noves propietats.

nov-13 – Materials – Diap 6 de 31

CLASSIFICACIÓ

METALLS FÈRRICS

NO FÈRRICS

CERÀMIQUES

POLÍMERS

MATERIALS

COMPOSTOS

SEMICONDUCTORS

nov-13 – Materials – Diap 7 de 31

PROPIETATS

MECÀNIQUES FÍSIQUES QUÍMIQUES Mòdul d’elasticitat

Límit elàstic Resist a la tracció

Duresa Resiliència (tenacitat)

R a la fatiga...

Densitat i pes específic P elèctriques P tèrmiques

P magnètiques P òptiques

R a l’oxidació R a la corrossió

ECONÒMIQUES DE FABRICACIÓ ESTÈTIQUES Preu i disponibilitat Maleabilitat

Ductilitat Forjabilitat

Maquinabilitat

Aspecte Color

Textura Olor

nov-13 – Materials – Diap 8 de 31

ESTRUCTURA La distribució dels electrons per ÒRBITES i CAPES determina el comportament i els enllaços de l’element.

Cada e- pot canviar de capa guanyant o perdent energia.

Tendeix a ocupar les posicions més baixes i a tenir 8 e- a la capa exterior. Per aconseguir-ho guanyen o perden e- (ions negatius, no metalls o positius, metalls).

nov-13 – Materials – Diap 9 de 31

Aquesta darrera capa és la capa de valència i determina l'enllaç

IÒNIC COVALENT METÀL·LIC

Metall + no metall.

Transferència d’ e-.

Materials durs, fràgils i aïllants.

No metall + no metall.

Compartir e-.

Materials i propietats diverses.

Metall + Metall.

Estructura rígida d’ions positius i núvol d’ e-.

Bons conductors de calor i electricitat.

nov-13 – Materials – Diap 10 de 31

ESTATS

+ Mobilitat - GAS LÍQUID SÒLID

- Forces de cohesió +

LÍQUIDS I GASOS

Fluids (s’adapten al contenidor)

Gasos compresibles / líquids incompresibles.

SÒLIDS

Estructura cristal·lina (repetitiva) o vitrea (amorfa).

nov-13 – Materials – Diap 11 de 31

SUBSTÀNCIA VITREA SUBSTÀNCIA CRISTAL·LINA

nov-13 – Materials – Diap 12 de 31

ESTRUCTURA CRISTALINA

La CEL·LA UNITÀRIA es la mínima part identificable com cristall. (o la part que es repeteix)

Una cel·la unitària queda definida per tres vectors a, b y c , i tres angles α , β y γ.

nov-13 – Materials – Diap 13 de 31

nov-13 – Materials – Diap 14 de 31

DISLOCACIONS

Enduriment de metalls:

• Disminució de la mida del gra • Formació de solucions sòlides • Deformació en fred

nov-13 – Materials – Diap 15 de 31

PROPIETATS MECÀNIQUES

� Estudiades sobre sòlids

� Les ACCIONS generen ESFORÇOS a causa de les forces de cohesió

� Mesurades amb Assaigs

� Estudiades a Resistència de Materials

RESISTÈNCIA MECÀNICA:

⇒⇒⇒⇒ Capacitat d'un material per suportar esforços sense deformar-se o trencar-se. ESFORÇ DE...

� Compressió

� Tracció

� Flexió

� Cissallament

� Torsió

nov-13 – Materials – Diap 16 de 31

COMPRESSIÓ

Coeficient de Poisson

Vinclament si esbelta

Resistent: Secció gran i poca esbeltessa

T=F/A

T, tensió [Pa] F, força [N] A, àrea [m2]

nov-13 – Materials – Diap 17 de 31

TRACCIÓ

Coeficient de Poisson Resistent: Secció gran

T=F/A

T, tensió [Pa] F, força [N] A, àrea [m2]

nov-13 – Materials – Diap 18 de 31

FLEXIÓ

Combinació de tracció i compressió.

Linia neutra

Resistent: Cantell gran i poca llargada

nov-13 – Materials – Diap 19 de 31

CISALLAMENT Resistent: Secció gran Poca deformació prèvia

nov-13 – Materials – Diap 20 de 31

TORSIÓ Deformació en espiral Resistent: Secció gran

nov-13 – Materials – Diap 21 de 31

MODELS DE DEFORMACIÓ I COMPORTAMENT MECÀNIC Deformació

elàstica (temporal)

plàstica (permanent)

Hi ha materials que...

...es trenquen sense grans deformacions (comportament fràgil)

...es deformen molt abans de trencar (comportament dúctil).

ASSAIGS L’ESTRUCTURA INTERNA determina…

…les PROPIETATS, que es mesuren amb…

…ASSAIGS

⇒⇒⇒⇒ Destructius ⇒⇒⇒⇒ No destructius

nov-13 – Materials – Diap 22 de 31

ASSAIG DE TRACCIÓ

nov-13 – Materials – Diap 23 de 31

DIAGRAMA DE TRACCIÓ

A

F=σ

[ ]0L

L∆=ε

nE

TR

σσ =

nov-13 – Materials – Diap 24 de 31

Duresa: Resistència a ser ratllat o penetrat.

Al ratllat: Escala de Mohs (minerals):

nov-13 – Materials – Diap 25 de 31

ASSAIG BRINNELL (PENETRACIÓ)

A

FHBW 102,0=

HBW, duresa Brinnell [ ] F, Força del penetrador [N] A, Área del casquet esfèric deixat a la proveta [mm2]

2

(· 22

2111 DDDD

A−−Π

=

D1, diàmetre del penetrador [mm] D2, diàmetre de la marca [mm]

Duresa HBW D1/F/t

duresa / Resistència a la tracció (només acer):

HBWtracció ·45.3=σ

nov-13 – Materials – Diap 26 de 31

ASSAIG DE TENACITAT

Tenacitat: Resistència al xoc

Resiliència: Energia necessària per trencar un material d'un sol cop.

PÈNDOL DE CHARPY

A

EKCV c=

KCV o KCU1, Resiliència [ J/mm2] Ec, Energia consumida [ J ] A, secció de trencament [ mm2 ]

1 KCV o KCU segons la forma de la entalla

nov-13 – Materials – Diap 27 de 31

nov-13 – Materials – Diap 28 de 31

ASSAIG DE FATIGA

Fatiga. Sèries d’esforços alternatius en sentits oposats

Diagrama de Wohler

� Límit de fatiga. asíntota.

� Resistència a la fatiga per n cicles

� Resistència a la fatiga per S esforç

2 tipus de comportament

Procés de trencament

Augment de la resistència a la fatiga?

nov-13 – Materials – Diap 29 de 31

nov-13 – Materials – Diap 30 de 31

ASSAJOS NO DESTRUCTIUS MAGNÈTICS

Basats en la permeabilitat magnètica.

Per materials ferromagnètics

RAIGS X I GAMMA

Zones més denses dificulten el pas de la radiació.

Placa fotogràfica

Per materials no ferromagnètics

ULTRASONS

Emissió d’ultrasons (f>20.000 Hz) i

temps de tornada.

nov-13 – Materials – Diap 31 de 31

PROPIETATS TÈRMIQUES

CONDUCTIVITAT POTÈNCIA TÈRMICA

L

TtAQ

∆⋅⋅⋅= λ

Q, calor transmès [J] λ, conductivitat tèrmica [W/m·ºC] A, secció de contacte [m2] t, temps [s] ∆T, salt tèrmic [ºC o K] L, llargada [m]

t

QPT =

Pt, potència tèrmica [W] Q, calor transmès [J] t, temps [s]

DILATACIÓ Linial:

Lo: longitud inicial de la varilla, [m] Lf: longitud final de la varilla, [m] Tf: temperatura final de la varilla, [º C] To: temperatura inicial de la varilla, [º C] α: coeficiente de expansión térmica lineal del material, [º C -1]