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Mecanica de materiales.
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UNIDAD 1
MATERIALES PARA
INGENIERA
Material: sustancia de la que cualquier cosa est compuesta o hecha
MATERIALES PARA INGENIERA
Clasificacin clasica de los materiales
Materiales metlicos
Materiales polimricos
Materiales cermicos
Materiales compuestos
Buenas propiedades mecnicas,
mala resistencia a la corrosin
Buena maleabilidad y
deformabilidad, se degradan
Alta dureza, alta fragilidad
Propiedades que dependen de
los materiales mixtos utilizados
Materiales Aplicaciones Propiedades
Metales Alambres, tubos, piezas
de automviles
Alta conductividad elctrica,
Resistentes y dctiles a
temperatura ambiente
Cermicos Vidrios, ladrillos, loza Aislante trmico y elctrico ,
frgiles, alta dureza, alta
resistencia
Polmeros Recipientes plsticos,
carcasas telfonos
Bajo peso, baja resistencia, alta
resistencia a la corrosin
Compuestos herramientas de corte,
recipiente para reactores
Ligeros, resistentes, dctiles,
con resistencia a las altas
temperaturas
Otras clasificaciones de los materiales
En funcin de sus aplicaciones Materiales para la salud
Materiales para la energa
Materiales para aplicaciones aeronutica
Materiales para microelectrnica
En funcin de nueva propiedades fsicas o qumicas
Materiales magnticos
Nanomateriales
Biomateriales
Materiales metlicos
Sustancias inorgnicas que estn compuestas de uno o ms elementos metlicos (aleaciones)
Tabla peridica de los elementos
Los tomos estn dispuestos de manera ordenada
Buenos conductores elctricos y trmicos
Resistentes y dctiles a temperatura ambiente (pueden ser conformados con facilidad)
Materiales metlicos
Son opacos a la luz visible
La superficie pulida tiene apariencia lustrosa
Los metales se dilatan y se contraen con la diferencia de temperatura
Tiene una elevada capacidad de oxidacin
Ej.: Acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre, nquel, etc.
Materiales metlicos
Metales ferrosos
Metales no ferrosos
Aceros (Fe, C, Ni, Cu..)
Fundiciones (Fe, Si, C, Mn..)
Aluminio y sus aleacionesCobre y sus aleacionesMagnesio y sus aleacionesNquel y aleaciones base nquelAleaciones de zinc, plomo y estaoTitanio y aleaciones de titanioetc
Materiales metlicos
UsosMateriales metlicos
Materiales inorgnicos constituidos por elementos metlicos y no metlicos cohesionados qumicamente
Materiales cermicos
Tabla peridica de los elementos que forman compuestos cermicos
Tipos de materiales cermicos
Materiales cermicos
Cristalinos, no cristalinos o mezcla de ambos
La mayora de los cermicos tienen elevada dureza y alta resistencia a la compresin
Se caracterizan por tener escasa conductividad, tanto elctrica como trmica.
Propiedades
Son frgiles, tiene escasa resistencia al impacto
Bajo peso, alta resistencia al calor, a la corrosin y al desgaste Propiedades aislantes
Ejemplo: xidos, nitruros, carburos, minerales de arcilla, cemento, vidrio
Materiales cermicos
Polmeros
Materia prima de los polmeros Sustancias naturales
Petrleo Carbn mineral
CelulosaGas natural
Caucho
C H N OCl
S
Polmeros
Tabla peridica donde se indican los elementos asociados a los principales polmeros comerciales
CaractersticasPolmeros
Baja densidad y
extraordinaria flexibilidad
Alta resistencia elctrica
y trmica
Tienen buena relacin
resistencia peso
Muy buena resistencia a las
sustancias corrosivas.
Polmeros
La polimerizacin se
produce cuando las
molculas pequeas
llamadas monmeros,
se combinan para
producir molculas
ms largas (polmeros)
Termoplsticos
Termoestables
Elastmeros
Segn sus aplicacin y su comportamiento a temperatura, se
clasifican en:
Polmeros termoplsticos
Los plsticos termoplsticos se obtienen de compuestos derivados del petrleo, estos materiales se ablandan cuando se calientan y se pueden moldear, dndoles nuevas formas que se mantienen al enfriarse.
Polmeros termoestables
Los plsticos termoestables proceden de descompuestos derivados del petrleo. Al someterlos al calor, se vuelven rgidos, por lo que solo se les puede calentar una sola vez. En general presentan una superficie dura y resistente y son ms frgiles que los termoplsticos.
Polmeros (termoplsticos
o termoestables, con
pocos enlaces cruzados)
que tienen una
deformacin elstica
mayor al 200%.
Elastmeros
Ventajas y desventajas de los polmeros frente a los metales
Ventajas
Desventajas
Livianos
Mayor resistencia a la corrosin y a los agentes qumicos
Baja resistencia mecnica
Baja resistencia al calor
Baja resistencia a la degradacin
No son reciclables
Materiales compuestos
Constan de dos o mas materiales fsicamente distintos y separables
mecnicamente (difieren en forma y composicin qumica y son
insolubles entre s)
Materiales Compuestos
Pueden fabricarse mezclando los distintos materiales de tal
forma que la dispersin de un material en el otro pueda hacerse de
manera controlada
Las propiedades son superiores, y posiblemente nicas en algn
aspecto especifico, a las propiedades de los componentes por
separado
Con los compuestos se fabrican materiales ligeros, resistentes, dctiles, con resistencia a las altas temperaturas que no pueden obtenerse de otro modo.
Tambin se pueden fabricar herramientas de corte muy resistentes al impacto que de otra manera seran quebradizas.
Para ingeniera, los materiales compuestos ms importantes son:- Plsticos reforzados con fibras- Hormign- Asfalto- Madera- Materiales compuestos de matriz metlica y matriz cermica
De qu estn hechos los autos?
La era de los nuevos materiales
Aquellos tiempos en los que el hierro y la madera eran los materiales predominantes en la construccin de un coche han pasado a la historia. Ahora hablamos del magnesio, del aluminio o de las fibras de carbono.
Materiales electrnicos o semiconductores
Los semiconductores tienen propiedades elctricas intermedias
entre los conductores y los aislantes elctricos.
No son importantes por su volumen pero s son
extremadamente importantes por su avanzada tecnologa.
La informacin hoy da se transmite por luz a travs de
sistemas de fibras pticas, los semiconductores convierten las
seales elctricas en luz y viceversa.
El ms importante de los materiales electrnicos es el silicio
puro, al que se puede modificar para cambiar sus caractersticas
elctricas. Con estos materiales se han podido crear fabricar los
circuitos integrados que han revolucionado la industria
electrnica y de ordenadores
Tabla peridica donde se indica los elementos semiconductores y los elementos que forman compuestos semiconductores (columnas III/V y II/VI)
Relacin entre estructura, propiedades y procesamiento
Procesamiento
Estructura Propiedades
ProductoFinal
resistencia mecnica ductilidad rigidez del material resistencia al impacto fatiga termofluencia desgaste
Propiedades de los materiales
Propiedades mecnicas Determinan como responde un material al aplicrsele una fuerza o
esfuerzo. Influyen en la facilidad con que puede ser conformando. Las ms comunes son:
Propiedades fsicas
Determinan como se comporta un material desde el punto de vista elctrico, magntico, ptico, trmico y elstico.
Dependen tanto de la estructura como del procesamiento de los materiales.
Propiedades qumicas
Comprenden las fuerzas de enlace (debido a la composicin) y su comportamiento ante medios agresivos (corrosividad).Pequeos cambios en la composicin pueden alterar fuertemente las propiedades fsicas.
Importancia de las propiedades fsicas
Instrumentos pticos
Conductores
Aislantes
Almacenamientode datos
Estructura cristalinaEstructura atmica
Estructura granular de hierro (x100) Estructura multifasica del hierro (perlita x400)
Estructura
Estructura
Estructura atmica: La distribucin de los electrones
alrededor del ncleo atmico afecta los comportamientos
elctricos, magnticos, trmicos, pticos y la resistencia a la
corrosin Tambin determina que un material sea un metal, un
cermico o un polmero.
Arreglo atmico o estructura cristalina: se refiere a la
organizacin de los tomos en el espacio e influye en las
propiedades mecnicas de los materiales como la ductilidad, la
resistencia mecnica y la resistencia al impacto .
Estructura de granos: Existe una estructura granular en la
mayora de los metales, en algunos cermicos, y ocasionalmente en
polmeros. Entre los granos, el arreglo atmico cambia su
orientacin influyendo as en las propiedades, as como el tamao y
la forma de los granos desempea una funcin primordial sobre
stas.
Fase: En la mayora de los materiales se presenta ms de una fase,
cada una de las cuales tiene su propio arreglo atmico y
propiedades. El control del tipo, tamao, distribucin y cantidad de
estas fases dentro del material, proporciona una manera adicional
de controlar las propiedades.
Estructura
Metales:
Laminado(rolado) Forjado Trefilado
Extrusin
Procesamiento
Doblado
Embutido
Estirado
Efectos ambientales en el comportamiento de los materiales
Las relaciones entre estructura - propiedades - procesamiento recibe adems la influencia del medio circundante al que est expuesto el material durante su uso
Temperatura Humedad Corrosin Radiacin Carga
Los cambios en la temperatura pueden causar alteraciones
considerables de las propiedades de los materiales, debidos
principalmente a:
Reblandecimiento (La resistencia de la mayora de los metales
disminuye conforme la temperatura aumenta)
Degradacin (Las temperaturas altas tambin pueden modificar la
estructura de las sustancias cermicas o provocar que los polmeros se
derritan o carbonicen
Transformaciones de fases
Fragilizacin (Las temperaturas muy bajas pueden causar que el
metal falle por fragilidad an cuando la carga aplicada sea baja)
Temperatura
Variacin de la resistencia con la temperatura de los materiales
Corrosin
Los metales son atacados por diversos lquidos corrosivos siendo degradados uniforme o selectivamente.
Pueden desarrollar grietas o picaduras que conducen a falla prematura.
Las sustancias cermicas son atacadas por cermicos en estado lquido.
Los polmeros pueden ser disueltos por sustancias disolventes.
Radiacin
La radiacin nuclear puede afectar la estructura interna de
todos los materiales.
Puede ocasionar prdida de resistencia, fragilidad o alteracin
crtica de las propiedades fsicas.
La dilatacin, producida por cavidades y burbujas de origen
radiactivo, pueden causar cambios en las dimensiones
externas y aun agrietamiento.
-EN MATERIALES ESTRUCTURALES:
- Cambios dimensionales
- Cambios de las propiedades mecnicas
- Cambios de composicin a nivel local
- EN MATERIALES NO ESTRUCTURALES:
- Cambios en propiedades fsica
La radiacin produce
Carga
El tipo de fuerza, o carga, que acta en el material puede cambiar radicalmente su comportamiento.
Se debe disear los componentes de forma tal que la carga en el material no sea suficiente para causar su deformacin permanente
El esfuerzo a la fluencia (limite elstico) es la propiedad ms crtica y suele ser una de las propiedades ms importantes para el diseo.
Un material con alto esfuerzo de fluencia puede fallar fcilmente si la carga es cclica (fatiga) o se aplica sbitamente (impacto).
Necesidad de materiales modernos
Es necesario desarrollar nuevos materiales con propiedades comparables y con menos impacto ambiental un fascinante reto para los ingenieros y cientficos de materiales
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