LOS MATERIALES, PROPIEDADES Y APLICACIONES 1-Materiales... · Baja resistencia mecánica y no adecuados para ... Materiales compiten unos con otros por su existencia y los nuevos

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


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)


Espectro del conocimiento de la Ciencia de Materiales


1.1. Concepto

Interrelacin entre la Ciencia de los Materiales y otras Ciencias bsicas y aplicadas



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



1.3. El ciclo de los materiales


ESTRUCTURAS

COMPONENTES

Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones 7


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


Clasificacin de los materiales en funcin de su naturaleza y aplicaciones


Esquema: Composicin Estructura Propiedades: Ventajas y Limitaciones Aplicaciones


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...



CARACTERSTICAS

Elevada conductividad

trmica y elctrica

Resistencia mecnica alta,

alta rigidez (mdulo

elstico), ductilidad y

conformabilidad

Resistencia al impacto

Aplicaciones estructurales

ESTRUCTURA: Cristalina


Estructura cristalina del Pb


Puente de D. Luis, Oporto (1881)

Turbina de vapor abierta en centrales termosolares

Turbina para aviacin

Perfiles metlicos

Usos domsticos



Tabla peridica cermicos combinacin entre uno o ms elementos metlicos (azul) y uno o ms no metlicos (rojo)


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..)


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


Cristalino

Amorfo


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



2.3. 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



2.3. 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...


Termoplstico

Termoestables

Elastmero


2.4. Materiales Compuestos

Diferentes tipos de materiales compuestos: a) con partculas, b) con fibras y c) laminar


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.


Aplicaciones y propiedades tpicas de los diferentes tipos

de materiales


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


Importancia relativa de los diferentes tipos de materiales




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



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


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



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



Macroestructura

- Forma externa de un componente que es observable a simple vista

- Caractersticas macroestructurales de un equipo estn determinadas por su diseo



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



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



ESTRUCTURA-PROPIEDADES

Contraste entre el comportamiento mecnico de a) aluminio (dctil) y b) magnesio (frgil), resultado de sus respectivas estructuras cristalinas



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


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?



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



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



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



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


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DISEO EN INGENIERA


Tema 1. Generalidades: Materiales, propiedades y aplicaciones

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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


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


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CASO 1. MATERIALES PARA LA FABRICACIN DE UN DESTORNILLADOR


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


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



CASO 2. MATERIALES PARA LA FABRICACIN DE UNA BOMBONA DE GAS


Recipientes a presin de aplicacin aeroespacial de material compuesto polimrico reforzado con fibra

de poliaramida


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