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Introdución a los materiales
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TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
1. Concepto de Ciencia y Tecnologa de los Materiales.
l d l l2. Evolucin de los Materiales.
3. Relacin EstructuraPropiedadesProceso.3. Relacin Estructura Propiedades Proceso.
4. Efectos Ambientales en los Materiales.
5. La eleccin del Material
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
1. Concepto de Ciencia y Tecnologa de los Materiales.
l d l l2. Evolucin de los Materiales.
3. Relacin EstructuraPropiedadesProceso.3. Relacin Estructura Propiedades Proceso.
4. Efectos Ambientales en los Materiales.
5. La eleccin del Material
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
1. Concepto de ciencia y Tecnologa de los Materiales.
IngenierosManejanMateriales
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismos
I i El i id d F i i t i t t
y
Mejorar caractersticas de productos diseados y fabricados IngenierosElectricidad IngenierosElectrnica Ingenieros Civiles
Funcionamientointerruptores CircuitosIntegrados Estructuras resistentes IngenierosCiviles
IngenierosPetrleo Ingenieros Automocin
Estructurasresistentes Barrenasytuberas Materiales ligeros y resistentes IngenierosAutomocin
IngenierosAeroespaciales Ingenieros
Materialesligerosyresistentes MaterialesligerosresistentesaaltasybajastemperaturasIngenieros
Metalrgica Cermica
Produciryconformarmaterialeseconmicosyconpropiedades mejoradas Polimricos
Compuestospropiedadesmejoradas
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Tipos de materialesMetalesysusaleaciones
Acero Aluminio
Caractersticas Conductividadelctrica
Aluminio Magnesio Zinc
Conductividadtrmica Altaresistenciamecnicatantoa traccin como a compresin
Hierrofundido Titanio
atraccincomoacompresin Altarigidez Ductilidad o conformabilidad Cobre
Nquel
Ductilidadoconformabilidad Resistenciaalimpacto
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Tipos de materialesU d l M t l l iUsosdelosMetalesysusaleaciones
Estructuralesodecarga
Conductoreselctricos
Motoresygeneradoreselctricos
Motores automocin Motoresautomocin
Industriaaeroespacial
Herramientas
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Tipos de materialesMaterialesCermicos
Ladrillos Vidrio
Caractersticas Bajaconductividadelctrica
Vidrio Porcelana Materialesrefractarios
Bajaconductividadtrmica Altaresistenciamecnicaacompresin
Abrasivos Aislamientotrmicoyelctrico
compresin Frgilesyquebradizos Duros y no dctiles Durosynodctiles Resistencia al impacto
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Tipos de materialesUsosMaterialesCermicos
Ladrillos Vidrio Vidrio Porcelana Materialesrefractarios Abrasivos Aislamientotrmicoyelctrico
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Tipos de materialesMaterialesPolmeros
Caucho(hule) Plsticos
Caractersticas Bajaconductividadelctrica
Plsticos Adhesivos Lubricantes
Bajaconductividadtrmica Bajaresistenciamecnica
( ) Siliconas Hidrogeles
Dctiles(termoplsticos) Resistentes(termoestables)
il ( bl ) FibrasTextiles Frgiles(termoestables)
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Tipos de materialesUsosMaterialesPolmeros
Elementosdeproteccin Envases Envases Aislamientoselctricos TuberasPVC Prtesis Fibrastextiles Derivadosdelcaucho Mueblesymenaje Moldes Moldes Pavimentos
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Tipos de materialesMaterialesSemiconductores
SilicioGermanio
Caractersticas Conductividadelctricaenun
tid Germanio Selenio ArseniurodeGalio
sentido Resistenciaensentidoopuesto Baja resistencia mecnica
SeleniurodeZinc Telururo dePlomo
Bajaresistenciamecnica Frgiles
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Tipos de materialesMaterialesCompuestos
Maderacontrachapada Paneles fenlicos
Caractersticas BajaConductividadelctrica
Panelesfenlicos Fibradevidrio Fibradecarbono
Ligeros Fuertes
Fibradeboro Hormign
Dctiles Resistenciaaaltatemperatura
(h i d ) Asfalto Cermets (carburocementado)
Dureza(herramientasdecorte) ResistenciaalimpactoC t i t i t Comportamientoinerte
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Tipos de materialesUsosMaterialesCompuestos
Construccin Industria Aeronutica IndustriaAeronutica IndustriaAeroespacial Industria DeportesyCompeticin
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismos
S t t d l i l t i l i d i i t t
y
Ejemplo 1Se trata de elegir los materiales necesarios para conducir una corriente entrelos componentes alojados en una caja negra elctrica. Qu materiales seescogeran?
El material que conduzca la corriente debe tener una elevada conductividadelctrica, por lo que se requiere seleccionar un material metlico en formade alambre (cobre aluminio oro plata etc )de alambre (cobre, aluminio, oro, plata, etc.).
Este alambre metlico deber estar aislado de otros alambres y del resto dela caja negra para impedir cortocircuitos o arcos elctricos. Los materialesj g p pcermicos de recubrimiento seran un aislante excelente de los alambres,pero resultan rgidos y frgiles, el alambre no podra flexionarse sin romperel recubrimientoel recubrimiento.
En vez de ello, se elegira un recubrimiento polimrico o plstico, quepresenta caractersticas adecuadas como aislante, a la vez que tiene buenaductilidad.
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismos
Q t i l tili f b i t f? Q i d d
y
Ejemplo 2Qu materiales se utilizan para fabricar tazas para caf?, Qu propiedadesespeciales a estos materiales adecuados?
Estas tazas estn fabricadas normalmente de materiales cermicos oEstas tazas estn fabricadas normalmente de materiales cermicos oplsticos que son buenos aislantes trmicos debido a su baja conductividadtrmica. Los vasos desechables de poliestireno expandido sonespecialmente eficaces ya que contienen muchas burbujas de aire queespecialmente eficaces, ya que contienen muchas burbujas de aire quemejoran mucho la capacidad aislante.
Estos vasos, en realidad, es posible considerarlos como hechos de un, , pmaterial compuesto formado por un polmero y un gas.
Las tazas metlicas son poco usadas, ya que su alta conductividad trmicapermite que el calor se transfiera rpidamente, pudiendo llegar a quemar lamano de quin las utilice.
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
1. Concepto de Ciencia y Tecnologa de los Materiales.
l i d l i l2. Evolucin de los Materiales.
3. Relacin EstructuraPropiedadesProceso.3. Relacin Estructura Propiedades Proceso.
4. Efectos Ambientales en los Materiales.
5. La eleccin del Material
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Evolucin de los materialesImportancia de los materiales en nuestra cultura
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Evolucin de los materialesEdaddepiedra
Piedra Madera Arcilla Cuero Cuero
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Evolucin de los materialesEdaddelcobreCapacidadparaproduciryconformarlos materialeslosmateriales.SatisfacerlasnecesidadesAparecelacermicapDescubrimientodecambiodepropiedadesconelcambiotrmico
EdaddelBronceSeleccindelosMateriales
EdaddelHierro
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Evolucin de los materialesEraActualComprendemoslarelacinentreelementos estructurales de los
LacienciadelosmaterialesImplicainvestigarlarelacinentreestructura y propiedades de loselementosestructuralesdelos
materialesysuspropiedadesCapacitadosenaltogradopara
estructuraypropiedadesdelosmateriales
Ingeniera de los Materialesmodificaroadaptarlascaractersticasdelosmaterialesalasnecesidadesdenuestrasociedad
IngenieradelosMaterialesFundamentadaenlasrelacionespropiedadesestructuradiseao
PlsticosVidrios
proyectalaestructuradeunmaterialparaconseguirunconjuntopredeterminadodepropiedades
FibrasAleaciones
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
1. Concepto de Ciencia y Tecnologa de los Materiales.
l d l l2. Evolucin de los Materiales.
3. Relacin EstructuraPropiedadesProceso.3. Relacin Estructura Propiedades Proceso.
4. Efectos Ambientales en los Materiales.
5. La eleccin del Material
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Relacin estructura-propiedades-procesamiento
ESTRUCTURALaestructuradeunmaterialserelaciona con la disposicin de sus
Estructuramicroscpica:Organizacindegrandesgruposdetomosenlazadosrelacionaconladisposicindesus
componentesinternos
Estructurasubatmica:Estructuramacroscpica:Organizacinelementosestructurales
Electronesdentrodelostomosindividualeseinteraccionesconsuncleo
susceptiblesdeapreciarseasimplevista
Estructuraatmica:Organizacinespacialentretomosomolculas
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Relacin estructura-propiedades-procesamiento
PROPIEDADESMecnicas:(respuestaalesfuerzo) Fsicas: Resistencia Rigidez Ductilidad
ComportamientoelctricoComportamientomagnticoComportamiento ptico Ductilidad
Golperepentino(impacto) Cargascclicas(fatiga)
ComportamientopticoComportamientotrmicoComportamientoelsticog ( g )
Altastemperaturas(termofluencia) Condicionesabrasivas(desgaste)
ComportamientoqumicoEstaspropiedadesdependentantodel t t d l i tCambiosestructuralespequeos
tienenunefectoprofundosobrelaspropiedadesmecnicas
laestructuracomodelprocesamientoMinsculasmodificacionesenlaestructuracausancambiosprofundosp penconductividadelctricasemicond.
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Relacin estructura-propiedades-procesamiento
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Relacin estructura-propiedades-procesamientoPROCESAMIENTO: Genera la forma deseada en un componente a partir
Metales Cermicos Colado
PROCESAMIENTO:Generalaformadeseadaenuncomponenteapartirdeunmaterialenbruto
Fusindemetales(colado,soldaduraconysinmaterialdeaporte,etc.)
Colado Conformado Extrusinocompactacincuando
Conformadomediantealtaspresiones(forjado,trefilado,extrusin,laminado,doblado)
estnhmedos Tratamientotrmicoatemperaturaselevadasparadesecaryaglutinar, , )
Compactadodepequeaspartculasenunamasametlicaslida(metalurgiadepolvos)
componentesPolimricos Inyeccin( g p )
Eliminandomaterialexcedente(maquinado)
Inyeccin Extruidosyconformados Tratadosatemperaturasinferioresal d f iladefusin
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Relacin estructura-propiedades-procesamientoPROCESAMIENTO: Genera la forma deseada en un componente aPROCESAMIENTO:Generalaformadeseadaenuncomponenteapartirdeunmaterialenbruto
Colado Soldadura PegaduraF j d Forjado
Trefilado ExtrusionadoExtrusionado Laminado Doblado Metalurgiadepolvos Maquinado
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
1. Concepto de Ciencia y Tecnologa de los Materiales.
l d l l2. Evolucin de los Materiales.
3. Relacin EstructuraPropiedadesProceso.3. Relacin Estructura Propiedades Proceso.
4. Efectos Ambientales en los Materiales.
5. La eleccin del Material
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Efectos ambientales en los materialesLa relacin estructurapropiedadesprocesamiento recibe tambin la
Carga:El ti d t tid
Ejemplo:U t i l lt f d fl i
Larelacinestructura propiedades procesamientorecibetambinlainfluenciadelmediocircundantealquesesometeelmaterial
El tipo de carga a que est sometido unmaterial puede cambiar radicalmente sucomportamiento.El f d fl i i d l
Un material con alto esfuerzo de fluenciapuede fallar fcilmente con cargasmenores si la carga es cclica (fatiga) o si seaplica sbitamente (impacto)El esfuerzo de fluencia por encima del
cual el material experimenta un cambiopermanente en sus dimensiones, es lapropiedad ms crtica suele ser la
aplica sbitamente (impacto)
propiedad ms crtica, suele ser laconsideracin ms importante en eldiseo
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Efectos ambientales en los materialesLa relacin estructurapropiedadesprocesamiento recibe tambin la
Temperatura:L bi d t t lt l
Larelacinestructura propiedades procesamientorecibetambinlainfluenciadelmediocircundantealquesesometeelmaterial
LoscambiosdetemperaturaalteranlaspropiedadesdelosmaterialesLaresistenciadelosmaterialesdisminuye
did t l t tamedidaqueaumentalatemperatura.Cambiosdesastrososporencimadelatemperaturacrtica.Lastemperaturasbajascausanfragilidaddelosmateriales.Losmaterialesendurecidosporprocesostrmicospierdensbitamentesuresistencia alsercalentados
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Efectos ambientales en los materialesLa relacin estructurapropiedadesprocesamiento recibe tambin la
Atmsfera:L d l l d l
Larelacinestructura propiedades procesamientorecibetambinlainfluenciadelmediocircundantealquesesometeelmaterial
Corrosin:L t l t d diLa mayora de los polmeros y de los
metales reacciona con el oxgeno,particularmente a temperaturas elevadas.Al t l i d
Los metales son atacados por diversoslquidos corrosivos siendo degradadosuniforme o selectivamente, pudiendodesarrollar grietas o picaduras queAlgunos metales y cermicos pueden
desintegrarse muy severamente o seratacados qumicamente, mientras queotros se pueden autoproteger
desarrollar grietas o picaduras queocasionan fallos prematuros.Las sustancias cermicas suelen seratacadas por otras sustancias cermicasotros se pueden autoproteger
Los polmeros suelen endurecerse odespolimerizarse, tostarse o quemarse.
atacadas por otras sustancias cermicasen estado lquido.Los polmeros suelen ser disueltos por
t i di l tLos aceros pueden reaccionar con elhidrgenos y volverse frgiles.
sustancias disolventes
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Efectos ambientales en los materialesLa relacin estructurapropiedadesprocesamiento recibe tambin la
Radiacin:L di i d lt d f t l t t i t d t d l
Larelacinestructura propiedades procesamientorecibetambinlainfluenciadelmediocircundantealquesesometeelmaterial
La radiacin de alta energa puede afectar a la estructura interna de todos losmateriales ocasionando prdida de resistencia, fragilidad o alteracin crtica de laspropiedades fsicas.L dil t i d id id d b b j d i di ti dLa dilatacin producida por cavidades y burbujas de origen radiactivo, pueden causarcambios en las dimensiones externas de los materiales y provocar su agrietamiento
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
1. Concepto de Ciencia y Tecnologa de los Materiales.
l d l l2. Evolucin de los Materiales.
3. Relacin EstructuraPropiedadesProceso.3. Relacin Estructura Propiedades Proceso.
4. Efectos Ambientales en los Materiales.
5. La eleccin del Material
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Eleccin del materialEl bl d l di l i d t i lEl problema del diseo y seleccin de materiales
Qu material cumple dichas Aplicacin: se debe cumplir
unas funciones
funciones y de todos aquellos que las cumplen
cual es el ptimoespecficas
A este proceso se le llama diseo y seleccin demateriales y existen metodologas especficas
para poder realizar la seleccin de forma sistemtica
Principal dificultad: El nmero de materiales disponibles es enorme;metales, cermicas, plsticos y compuestos conforman un vasto men (entre50.000 y 100.000 materiales) que estn a disposicin de las personas quedisean objetos e instrumentosdisean objetos e instrumentos.
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Eleccin del materialNecesidad del mercado
Diseo inicial
Definir especificaciones Determinar las funciones del sistema Definir el principio de funcionamientoDiseo inicial
Definicin generalDefinir el principio de funcionamiento
Definir componentes y requerimientos cientfico-tecnolgicos, econmicos ysociales de cada uno de ellos
Anlisis inicial de cada componente
Parte fundamental dell
Modelar y analizar cada componente
Seleccionar los materiales de cada componente que cumplen los
Diseo Detallado. Anlisis detallado de componentes
componente proceso y es la que vamos aanalizar en este tema
componente que cumplen los requerimientos definidos previamente Modelar y analizar las ligaduras
Analizar los componentes en detalle Seleccionar proceso de fabricacin
O ti i t i tdetallado de componentes
Especificaciones de producto. Prototipo
Fabricacin de un prototipoVerificacin de si el prototipo cumple las especificaciones definidas inicialmente
En caso afirmativo, definir proceso
Optimizar prestaciones y costo Especificar planos de diseo
Diagrama de bloques del proceso de diseo
de produccinEn caso negativo volver a las
etapas anteriores y modificar el diseo o la seleccin de materiales
Diagrama de bloques del proceso de diseo
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Eleccin del materialP i d d l d l dif t ti d t i lPropiedades generales de los diferentes tipos de materiales
Materiales Puntos Fuertes Debilidades
Metales Rigidez (E100 GPa) Se deforman plsticamente(f 1MPa) Ductilidad Moldeabilidad Tenacidad (KIC>50 MPa m1/2) Elevado punto de fusin (Tm1000C)Elevada resistencia al choque trmico (T500C) Elevadas conductividades elctricas y trmicas.
Aleaciones Baja dureza (H 3f) AleacionesBaja resistencia a la fatiga (e 1/2f)Elevada resistencia a la corrosin recubrimientos
C i Rigidez (E200 GPa) Muy baja tenacidad (K 2 MPa m1/2)Cermicas Rigidez (E200 GPa)Elevada resistencia a la fluencia y duras(f 3 GPa)Elevado punto de fusin (Tm2000C) Densidad moderada Resistencia a la corrosin
Muy baja tenacidad (KIC2 MPa m1/2) Baja resistencia al choque trmico (T200C) Dificultad de moldeo mtodos de polvo
Polmeros Ductilidad y moldeabilidad Baja rigidez (E2 GPa)Polmeros Ductilidad y moldeabilidad Resistencia a la corrosin Baja densidad Bajas conductividades elctricas y trmicas
Baja rigidez (E 2 GPa) Elevada Fluencia (f 2-100 MPa) Baja temperatura de transicin vtrea (Tg100C) fluyen a baja temperatura Tenacidad media (KIC1 MPa m1/2)
Materiales compuestos
Rigidez (E>50 GPa) Resistencia mecnica (f 200 MPa) Tenacidad (KIC>50 MPa m1/2) Resistencia a la fatiga Resistencia a la corrosin Baja densidad
Dificultad de moldeo Elevado costo Elevada fluencia (matrices polimricas)
Esta es la variada carta de la que deberemos seleccionar el material idneo.
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Eleccin del material
El proceso consta de tres etapas:
1. Definicin de requerimientos para la aplicacin considerada.
2. Clculo del ndice o ndices de material para la aplicacin
3. Seleccin del material usando el ndice de material y los mapas de seleccin de materiales
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Eleccin del material
1. Requerimientos:
Requerimientos cientfico-tecnolgicos:Requerimientos cientfico tecnolgicos:Requerimientos especficos debe cumplir el material:Cargas, temperaturas, condiciones atmosfricas, conductividades trmica y elctricas requeridas, aspecto superficial, etc.elctricas requeridas, aspecto superficial, etc.
Requerimientos econmicos:Coste por unidad de peso o volumen, su importancia depende del sector enp p , p pel que est. Se debe tener en cuenta coste de la materia prima, del procesode fabricacin y del transporte
Requerimientos socio-ecolgicos:Aspectos medioambientales, seguridad, normativa especfica, reciclabilidad, Biodegradabilidad, etc.
TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy
Eleccin del materialOrganizacin Microscpica Propiedades Macroscpicas
Puente
g p p p
Puente Cientfico
Aplicaciones
C H0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
composicinporcentualenC
dureza 2Brinell 8
40020
10
2
6012080
perlitafina
perlita gruesa
SIGLO XXI: Diseo de materiales a la carta: Los requerimientosfinales definen la estructura del material